超声波 自激式 振荡电路.pdf

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1、第27卷　第3期河南职技师院学报1999年　9月Vol.27No.3JournalofHenanVocation2TechnicalTeachersCollegeSep.1999超声波驱动电路的研究洪新华吴慎山王庆国郑　勇a(河南职技师院,新乡453003)(河南师范大学)(新乡市肉联厂)(新乡教育学院)摘要:研究了产生超声波的机理及器件性能,分析了超声源驱动电路的组成和工作原理。关键词:压电效应;反压电效应;超声换能器;驱动电路中图分类号:O462.11　前　　言随着科学和技术的发展,超声波的应用越来越广泛。在医学领域,A超、B超不仅

2、解决了人眼看不到的体内病变的检测,而且消除了其它射线检查带来的辐射危害;利用超声对中、草药进行处理生产中成[3]药,可大大地提高生产效率;广泛应用的智能超声探伤系统,对金属及材料内部的空洞,缺陷可进行准确的定位和检测,提高了机械生产的产品质量。最近国内外广泛兴起的压电超声马达的研究,使机械加[4][1]工工艺水平进入了纳米量级。超声技术的广泛应用,显示了广泛的应用前景和强大的生命力。超声的应用领域,一般分为超声检测和功率超声,功率超声的特点是功率强度大,如超声清洗、超声焊接、超声切割、超声粉碎等都属于功率超声的范畴。1880年居里兄弟在

3、A石英晶体中发现了压电效应,具有这种特性的材料叫压电材料。1883年,李普曼预言了逆压电效应的存在,此后,居里兄弟在石英中发现了这一现象。逆压电效应是在压电材料的相应部位间加上电压,产生一定的电荷分布,材料会发生相应的形变,在此种压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号,材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变。这种机械形变推动周围介质振动,产生疏密相间的机械波,如果其振动频率在超声范围,这种机械波就叫超声波。2　超声换能器电路设计超声换能器是产生超声波必需的能量转换装置,它把超声电磁振荡的能量转换为声波。图1是一个超声换能器,

4、又称喇叭形换能器,具有重量轻、体积小、能量大的特点。图中1为金属前盖板,2为电极线,3为压电陶瓷片,4为金属后盖板,5为预应团螺图1　喇叭形换能器钉。每相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反,晶片的数目成偶数,以使前后金属盖板与同一极性的电极相连,否则在前后盖板与晶片之间要垫以绝缘垫圈,两晶片之间,晶片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片(厚度小于0.1mm),作为焊接电极引线用;晶片,电极铜片,金属支撑板,金属前后盖板之间用强力胶a收稿日期:1999205228.基金项目:河南省教委科技攻关课题。第一作者简介:洪新华(19572),男,河南商城人

5、,副教授。©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期洪新华等:超声波驱动电路的研究79(例如环氧树脂)胶合,预应力螺钉可在环氧树脂固化前或固化后拧紧。由于压电陶瓷的抗压应力远大于抗拉应力;胶合层也容易在大振幅情况下在拉伸阶段遭到破坏,所以加上预应力螺钉把振子的晶片和胶合部分加上压预应力。以保证器件工作安全。所加预应力的大小应适当控制。为了配合紧凑,在预应力镙钉和盖板间要垫锥盘形弹簧垫圈和垫片。加上预应力镙钉对共振频率有小的影响,而电声转换效率不变。

6、所承受的最大功率却可成倍增加,换能器各部分主要作用如下:2.1　振子压电陶瓷片称振子,是电声转换的元件,对于二分之一波长的振子,振动时,两端振幅最大,中间存在一个振速为零的截面,称为节面,节面的位置随着后盖板及晶片堆的密度、声连和尺寸而改变。并在节面位置放入节板,以便固定振子和整体考虑换能器结构。如果在振子电极上加上等于振子固有频率的超声波电压、振子就以正比于此电压振幅的振动,推动两金属盖板纵向振动,把超声波能量传播出去。2.2　前后金属盖板金属前盖板用硬铝或镁铝合金等轻金属,后盖板采用钢或黄铜重金属,是为使前盖板产生远大于后盖板的位移

7、量。根据动量守恒定律和换能器工作原理、可知节板两边的动量大小相等,方向相反,知其运动速度与密度成反比。利用铝作为前盖板,钢作为后盖板,其位移比率约为三比一。在此种情况下,轻金属表面位移较大,可辐射出振子中贮存的振动能量的较大部分。轻金属前盖板设计成喇叭形,可以降低机械Q值,为了增加频带宽度,并和下一级媒体匹配,可在前盖板打上许多小孔,这样,可以使硬铝(比重2.7)和水(比重1)匹配,以利于超声能量的定向传输。超声波发生器是一个超声频电子振荡器,当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电陶瓷上时,压电陶瓷元件就在电场作用下产生纵振动。

8、压电元件在超声振荡时,仿佛是一个小活塞,其振幅很小,约为1～10-2Lm,但这种振动的加速度很大,是重力加速度的10～103倍,于是把电磁振荡能量转化为振动能量,这种巨大的超声波能量,沿着特定方向传播出来。