超聲波換能器的原理和使用

超聲波換能器是一種能量轉換器件，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗很少一部分功率（小於10%）。所以，使用超聲波換能器很主要考慮的問題即是與輸入輸出端的匹配，其次是機械安裝和配合尺寸。

超聲波換能器分類：

1、柱型

2、倒喇叭型

3、鋼後蓋型

4、中間夾鋁片型

主要適用於超聲波塑料焊接機、超聲波切割刀、超聲波金屬焊接機，超聲波清洗機，超聲波聲化學設備等。

超聲波換能器在合適的電場激勵下能發生有規律的振動，其振幅一般10μm左右，這樣的振幅要直接完成焊接和加工工序是不夠的。連上通過合理設計的變幅杆後，超聲波的振幅可以在很大的範圍內變化，只要材料強度足夠，振幅可以超過100μm。

因加工方式和要求不同，換能器的工作方式大致可分爲連續工作（如花邊機，CD機，清洗機，拉鍊機）和脈衝工作（如塑料焊機），不同的工作方式對換能器的要求是不同的。一般而言，連續式工作幾乎沒有停頓時間，但工作電流不是很大，脈衝工作是間歇的，有停頓，但瞬間電流很大。平均而言，二種狀態的功率都是很大的。

使用超聲波換能器很主要考慮的問題即是與輸入輸出端的匹配，其次是機械安裝和配合尺寸。換能器的頻率相對而言還比較直觀些。該頻率是指用頻率（函數）發生器，毫伏表，示波器等通過傳輸線路法測得的頻率，或用網絡阻抗分析儀等類似儀表測得的頻率。一般通稱小信號頻率。與它相對應的是上機頻率，即客戶將換能器通過電纜連到機箱上，通電後空載或有載時測得的實際工作頻率。因客戶匹配電路各不相同，同樣的換能器在不同的驅動電源（電箱）表現出來的頻率是不同的，這樣的頻率不能作爲交流討論的依據。

讓換能器和驅動電源、模具良好配合以形成一臺完整的超聲波設備可以簡稱爲匹配。由於匹配對整機性能的影響是決定性的，無論怎樣強調匹配的重要性都不爲過。匹配很主要考慮的因素是換能器的電容量，其次是換能器的頻率。

換能器與驅動電源的匹配主要有4個方面，即阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中很主要的是容抗和頻率。如前所述因爲陶瓷片是絕緣體，你幾乎可以理解爲換能器是不通電的，它只是相當於一個電容器。要使換能器工作，實際上是通過驅動電路對它施加交流高電壓，讓換能器的電容充放電。壓電陶瓷片在交變電場的作用下做同步伸縮變形，形成了整個換能器的縱向振動，從而帶動變幅杆和模具振動。所以，若電容匹配不好，輕者是換能器無力，焊不牢；重者換能器發熱嚴重，燒電極片、燒電源的大功率管。我們的換能器產品附有產品性能參數表，給出了每個換能器的電容和頻率。驅動電源應該根據換能器的電容量，調整高壓變壓器，匹配電容板，峯化線圈，調頻線圈等的參數。由於電感和電容量的敏感性，功放板，扼流線圈及其他外圍電路對匹配也有影響。而且隨着工作進行，換能器的溫度會升高，導致電容也會升高且變化量可能會超過50%，若不能將電容有效地匹配掉，即會造成迴路中電流電壓相位差很大，功率因素很低，虛功高。看看電流很大，但換能器沒力，易發熱，且電源的功率器件也容易發熱損壞。一般換能器電極片（耳朵）振裂或燒掉很可能即是由此引起的。

頻率匹配同樣也非常重要。這首先是因爲超聲換能器只能工作在他的諧振頻率點，所以驅動電源、變幅杆、模具（工具頭）都應該在這個頻率下工作。一般而言，這個差別很大不超過±0.1kHz，能小一點會更好。我們強烈建議配套模具（焊頭）的頻率低於振動子頻率0.1kHz左右（小信號頻率）。也即是說，若原振動子小信號測量的頻率是14.85kHZ，則連上模具後再測頻率爲14.75kHZ很爲理想。同時即應考慮到，超聲波換能器接上變幅杆和模具頭後，系統的諧振頻率峯會變得很尖銳，也即帶寬很窄，機械品質因數很大，頻率偏移一點都會造成阻抗很大的增加。表現在驅動電源上會是電源（振幅表電功率）很大或過載保護。若剛好這時是空載調機，則很可能會造成晶片錯位，晶片裂或中心螺桿斷。