超音波換能器

超音波換能器的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超音波）再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。

超音波換能器，要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻頻寬的超音波換能器。

換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器採用厚度方向極化的PZT-5壓電材料製成，Cymbal陣列接收器由8～16隻Cymbal換能器、兩個金屬圓環和橡膠墊圈組成。本發明的作用距離大於35m，頻頻寬度達到10kHz，能檢測高速移動的遠距離目標。

基本介紹

• 中文名：超音波換能器
• 外文名：Ultrasonic transducer
• 原理：材料的壓電效應
• 用途：把高頻電能轉化為機械能
• 類型：一種能量轉換器件

基本資料

功能結構

超音波換能器，包括外殼(1)、匹配層即聲窗(2)、壓電陶瓷圓盤換能器(3)、背襯(4)、引出電纜(5)，其特徵在於它還包括Cymbal陣列接收器，它由引出電纜(6)、8～16隻Cymbal換能器(7)、金屬圓環(8)、(9)和橡膠墊圈(10) 組成；Cymbal陣列接收器位於圓盤式壓電換能器3之上；壓電陶瓷圓盤換能器用作基本的超音波換能器，由它發射和接收超音波信號；Cymbal陣列接收器位於圓盤式壓電換能器之上，作為超音波接收器，用於接收圓盤換能器頻帶之外的都卜勒回波信號。

主要適用與超音波塑膠焊接機、超音波金屬焊接機，超音波清洗機，氣相機，三氯機等

常見問題

1、超音波振子受潮，可以用兆歐表檢查與換能器相連線的插頭，檢查絕緣電阻值就可以判斷基本情況，一般要求絕緣電阻大於5兆歐以上。如果達不到這個絕緣電阻值，一般是換能器受潮，可以把換能器整體（不包括噴塑外殼）放進烘箱設定100℃ 左右烘乾3小時或者使用電吹風去潮至阻值正常為止。

2、換能器振子打火，陶瓷材料碎裂，可以用肉眼和兆歐表結合檢查，一般作為應急處理的措施，可以把個別損壞的振子斷開，不會影響到別的振子正常使用。

振子脫膠，我們的換能器是採用膠結，螺釘緊固雙重保證工藝，在一般情況下不會出現這種情況。

不鏽鋼振動面穿孔，一般換能器滿負荷使用10年可能會出現振動面穿孔的情況。

套用

超音波換能器的套用十分廣泛,它按套用的行業分為工業、農業、交通運輸、生活、醫療及軍事等。按實現的功能分為超音波加工、超音波清洗、超音波探測、檢測、監測、遙測、遙控等；按工作環境分為液體、氣體、生物體等;按性質分為功率超音波、檢測超音波、超音波成像等。

壓電陶瓷變壓器

壓電陶瓷變壓器是利用極化後壓電體的壓電效應來實現電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅動, 通過逆壓電效應使其產生振動, 振動波通過輸入和輸出部分的機械耦合到輸出部分, 輸出部分再通過正壓電效應產生電荷,實現壓電體的電能-機械能-電能的兩次變換,在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比, 這具有體積小, 質量輕,功率密度高, 效率高, 耐擊穿, 耐高溫, 不怕燃燒, 無電磁干擾和電磁噪聲, 且結構簡單、便於製作、易批量生產, 在某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優點。此類變壓器用於開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等。

超音波馬達

超音波馬達是把定子作為換能器, 利用壓電晶體的逆壓電效應讓馬達定子處於超音波頻率的振動, 然後靠定子和轉子間的摩擦力來傳遞能量, 帶動轉子轉動。超音波馬達體積小, 力矩大, 解析度高, 結構簡單, 直接驅動, 無制動機構, 無軸承機構, 這些優點有益於裝置的小型化。超音波馬達廣泛套用於光學儀器、雷射、半導體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫學與生物工程領域。

超音波清洗

超音波清洗的機理是利用超音波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應, 對清洗件上的污物產生的機械起剝落作用, 同時能促進清洗液與污物發生化學反應, 達到清洗物件的目的。超音波清洗機所用的頻率根據清洗物的大小和目的可選用10～500 kHz, 一般多為20～50 kHz。隨著超音波換能器頻率的增加,可採用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。在小型化方面, 也有採用圓片振子的徑向振動和彎曲振動的。超音波清洗在各種工業、農業、家用設備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫院和醫學研究等行業得到了越來越廣泛的套用。

超音波焊接

超音波焊接有超音波金屬焊接和超音波塑膠焊接兩大類。其中超音波塑膠焊接技術已獲得較為普遍的套用。它是利用換能器產生的超聲振動, 通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區。由於焊區即兩焊件交界處聲阻大, 所以會產生局部高溫使塑膠熔化, 在接觸壓力的作用下完成焊接工作。超聲塑膠焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位。另外, 還節約了塑膠製品昂貴的模具費, 縮短了加工時間, 提高了生產效率, 有經濟、快速和可靠等特點。

超音波加工

把微細磨料隨超音波加工工具一起以一定靜壓力加在工件上, 就能加工出與工具相同的形狀。加工時換能器需在 15～ 40 kHz的頻率下, 產生 15～ 40 微米的振幅。超音波工具使工件表面的磨料以相當大的衝擊力連續衝擊, 破壞超聲輻射部位, 使材料破碎而達到去除材料的目的。超音波加工主要套用於寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外, 在普通切削工具上加超音波換能器振動時, 也可起到提高精度和效率的作用。

超音波減肥

利用超音波換能器的空化效應和微機械振動, 將人體表皮下多餘的脂肪細胞破碎、乳化後排出體外, 達到減肥、塑形的目的。這是國際上90 年代發展起來的一項新技術。義大利的Zocch i首次將超聲去脂用於床, 並獲得成功, 為整形、美容開創了先河。超聲去脂技術在國內外得以迅速發展。

超音波育種

對植物種子進行適當頻率和強度的超音波照射, 可提高種子的發芽率, 降低霉爛率, 促進種子的生長, 提高植物生長速度。據資料介紹, 超音波可使某些植物種子生長速度提高2～3 倍。

電子血壓計

利用超音波換能器接收血管的壓力, 當氣囊加壓緊壓血管時, 因外加壓力高於血管舒張壓力, 超音波換能器感受不到血管的壓力; 而當氣囊逐漸泄氣, 超音波換能器對血管的壓力隨之減小到某一數值時, 二者的壓力達到平衡, 此時超音波換能器就能感受到血管的壓力, 該壓力即為心臟的收縮壓, 通過放大器發出指示信號, 給出血壓值。電子血壓計由於取消了聽診器, 可減輕醫務人員的勞動強度。

遙測遙控

在有毒、放射性等惡劣環境中, 人們不能接近工作, 需要遠地控制; 電視機, 電風扇以及電燈等電器開關需要遙控, 都可裝上超音波換能器, 通過遠地發射超音波由裝在需要控制系統上的接收換能器所接收,把聲信號轉變成電信號使開關動作。

交通監測

現代交通, 自動監測車輛的通行和計數以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。如交通監理站安裝一個收發兼用的超音波換能器及其附屬設備, 當車輛通過時就有一個聲脈衝返回, 通過計數累計可得到日行車輛的數量。給汽車尾部裝一個收發兩用的換能器, 可防止倒車相撞事故發生。在公路上安裝接收型壓電超音波換能器還可以監測噪聲指數。

測距

超音波測距裝置又叫聲尺。它是通過收發兩用的換能器, 測量脈衝時間間隔。聲尺可測10m 以內的距離, 精度可達千分之幾。

檢漏及氣體檢測

對於壓力系統, 在泄漏處, 由於壓力容器的內外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對於非壓力系統, 可在密閉系統內安放一個超音波源, 然後從密閉系統外部接收。一般未泄漏時測到的信號幅度極小或沒有, 在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多种放大，如浮子流量計等。但利用超音波換能器主要優點是不妨礙流體的流動。

信息採集

智慧型機器人要實現在空間自由行走、辨認物體等功能, 不僅要用超音波換能器測距導盲, 而且要成像辨識。所以, 需要小型的超音波換能器陣, 以實現多種功能, 這方面將成為一項重要的研究課題, 吸引著眾多的科學家為之奮鬥。