CN103041977A

CN103041977A - 水密封装型超声清洗换能器

Info

Publication number: CN103041977A
Application number: CN2012105796776A
Authority: CN
Inventors: 刘细宝; 胡望峰; 汪跃群; 郁涛; 孔刚强; 李红敏; 赵桂林; 王建
Original assignee: 刘细宝
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明为一种水密封装型超声清洗换能器，解决了现有清洗换能器易损坏、维修难、清洗效率不高等问题。该换能器包括前盖板、后盖板以及通过预应力螺杆锁紧在前盖板和后盖板之间的正、负电极片和第一、二环形压电陶瓷片，正、负电极片上连接有导线，连接在正电极片上的导线串联有匹配电感，最后在上述各结构的整体外部灌注密封有由聚丙二醇醚聚氨酯橡胶组成的密封层，且封装在前盖板前端面上的密封层厚度h为该换能器发出声波波长的四分之一。本发明换能器选材合理、密封工艺简单、成本低、可靠性高、维护容易、组阵方便，此外还增加了匹配电感，节省了能源，提高了清洗效率。

Description

水密封装型超声清洗换能器

技术领域

本发明涉及超声清洗设备，具体是一种水密封装型超声清洗换能器。

背景技术

目前市场上的超声清洗机中的超声清洗换能器都是未封装的，就是在超声清洗换能器的前盖板上涂上胶，并通过单个螺栓将单个换能器固定在铝板上，以此将这几个换能器组成阵列。最后将铝板子盖成长方体盒子，沉入清洗水槽的底部，通过铝盒子水密。这就导致三个问题：1、经过换能器长时间的振动工作，胶容易开裂，螺栓容易松动。2、随着工作时间的推移，换能器阵列中会有从一个到部分换能器，或因为前盖板出现裂纹、或因为螺栓断裂、或因为压电陶瓷片破裂等原因导致的罢工。而因为铝盒子是个封死的黑盒子，清洗工无从知晓，只能凭感觉清洗效率的不断降低来判断，直至将整个换能器阵列加铝盒子全部更换，不能实时更换某一个罢工的换能器，导致可维护性和可靠性均大大降低，全部更换又浪费资源。3、振动能量从前盖板上通过螺栓传到铝板，再传到水中，能量损失巨大，造成清洗效率不高，费时费电。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种水密封装型超声清洗换能器。本发明清洗换能器外部灌注密封有聚氨酯密封层，既可以水密绝缘，又不影响能量传播。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水密封装型超声清洗换能器，包括前盖板和后盖板，在前盖板和后盖板之间从前到后依次安装有负电极片、第一环形压电陶瓷片、正电极片和第二环形压电陶瓷片，并且前盖板、负电极片、第一环形压电陶瓷片、正电极片、第二环形压电陶瓷片和后盖板之间通过预应力螺杆锁紧（定义：前盖板为前，后盖板为后）；预应力螺杆上位于电极片和环形压电陶瓷片的一段套设有绝缘套管（以免高压打火），电极片和环形压电陶瓷片套设在绝缘套管上；第一、二环形压电陶瓷片的正电极面与正电极片接触，正、负电极片上分别连接有用于与屏蔽电缆连接的导线（具体使用时：连接在正电极片上的导线与屏蔽电缆的信号线连接，连接在负电极片上的导线与屏蔽电缆的地线连接）；在与正电极片连接的导线上还串联有匹配电感；在由前盖板、负电极片、第一环形压电陶瓷片、正电极片、第二环形压电陶瓷片、后盖板、预应力螺杆、匹配电感和导线组成的整体结构外部灌注封装有密封层，使其被灌注封装成一个整体的圆柱体结构，所述密封层选用的密封材料为聚丙二醇醚聚氨酯橡胶；连接在正、负电极片上的两根导线接屏蔽电缆的一端露于密封层外部；封装在前盖板前端面上（即前盖板的辐射面）的密封层厚度h为该换能器发出声波波长的四分之一；所述匹配电感的感值为：

，式中：ω_S为该换能器的机械谐振圆频率，R为该换能器的动态电阻，C_O为该换能器的静态电容。其中，由前盖板、负电极片、第一环形压电陶瓷片、正电极片、第二环形压电陶瓷片、后盖板和应力螺杆组成的结构，我们称之为振子。

所述匹配电感是在容性换能器共振时，针对静态电容将换能器共轭匹配成纯阻性，以提高功率因素，减少无功分量，降低无功功率。电感采用串联方式，有如下优点：（1）因为串联调谐后的等效阻抗比并联调谐小，在获得相同功率的条件下，串联所需的激励电压比并联低，即输入阻抗小，意味着采用串联时输出变压器次级绕组的圈数可以少许多，由此带来变压器体积减小、分布电容小等一系列好处。（2）若超声频电源为恒压源，串联调谐可使等效阻抗获得尽可能大的输出电压，这样，负载换能器上可得到较大功率。匹配电感的感值为：

，式中：ω_S为换能器的机械谐振圆频率；R为换能器的动态电阻；C_O为换能器的静态电容，是在远低于谐振频率的频率上测出的换能器电容。ω_S、R和C_O都是该换能器的固有参数，都是本领域技术人员容易测试得到的。

本发明中，组成换能器的各结构其制作材料不同，对换能器性能的影响很大，本发明中各结构的制作材料是经过大量试验研究而得出的，具体分析如下：

所述前盖板的厚度应在使用频率范围内不能产生弯曲振动，其直径与厚度比在4和5之间，要求材料抗疲劳强度高，机械损耗低，宜用铝镁合金、铝合金、硬铝、杜拉铝、钛合金之类的轻质材料制作，本发明的前盖板采用铝合金材料制作。换能器振动速度ξ一定的情况下，辐射声功率为：

式中：S为前盖板辐射面（即前盖板的前端面）面积，

为水的特性阻抗。

所以为了增大辐射声功率，必须增大辐射面面积S，故前盖板常常采用扩大了的喇叭形。

所述第一、二环形压电陶瓷片采用PZT—8发射型材料，因为该型材料允许输入电功率大，可以连续波长时间工作。如锆钛酸铅发射型陶瓷材料的功率容量可高达6W/cm³kHz，当然，实际只用到2-3 W/cm³kHz。超声振子中压电陶瓷晶堆中晶片（第一、二环形压电陶瓷片）之间采用机械串联而电路并联的方式连接，相邻两片晶片的极化方向相反，使得各个晶片的纵向振动能够同相叠加，以保证压电陶瓷晶堆能够协调一致的振动。所以第一、二环形压电陶瓷片的正电极面与正电极片接触。

所述后盖板通常作为调节频率和负载使用，多采用大密度材料制造，如45号钢、铅、殷钢、钨、铜等以期获得较小的体积，本发明后盖板选用45号钢。

所述预应力螺杆必须用高强度结构钢螺栓钢加工并经热处理，如40号钢、工具钢、钛合金等，要求其抗张强度在80kg/mm²以上，且螺纹采用圆弧式，本发明预应力螺杆选用40号钢。用该预应力螺杆即在清洗换能器的轴向加了一个静态恒定的压缩应力，提高清洗换能器的抗张强度，使第一、二环形压电陶瓷片在强烈的振动时始终处于压缩状态，从而避免了第一、二环形压电陶瓷片的破裂。

本发明中，所述密封层选用的密封材料为聚丙二醇醚聚氨酯橡胶，对本发明所述水密封装型超声清洗换能器密封层的密封材料进行理论分析：

根据特性阻抗匹配原理，因为聚丙二醇醚聚氨酯和水的特性阻抗十分接近，所以采用聚丙二醇醚聚氨酯将换能器灌封起来。

众所周知，平面波在两种不同均匀介质界面上会发生反射和折射。现考虑简单的垂直入射，在分界面上，由于两介质的特性阻抗不同，声波在分界面上会发生反射和折射。垂直入射示意图如图2所示，图中入射波为P_i，反射波为P_r，透射波为P_t。

边界条件：

声压连续：

；

法向质点振速连续：

；

介质特性阻抗：

，式中：

为密度kg/m³，c为声速m/s；

声压反射系数：

；

声压透射系数：

；

则透射损失TL（dB）：

；

当Z₁=Z₂时，有R=0，D=1，表明声波没有反射，即全部透射。说明，即使存在两种不同介质分界面，但只要两种介质的特性阻抗相等，那么对声波传播来讲，分界面就好像不存在一样。实际上，两种介质的特性阻抗相差不大时，功率透射系数接近于1。

表1 材料属性

由上表1中的数据（20°C时，一个标准大气压下）代入上述公式，求得，声波由铝入射到水中，透射损失TL约5.3dB，而聚丙二醇醚聚氨酯的特性阻抗比水稍大，声波能量透过时几乎没有损失。若密封材料选用聚丙二醇醚聚氨酯橡胶，相较于传统的螺栓固定加胶粘在铝板上，可以大大减小声波能量传输损耗。而且该密封材料与前盖板粘结强度很高，长时间振动工作不易开裂渗水短路，可靠性高。所以本发明水密封装型超声清洗换能器的密封材料选用聚丙二醇醚聚氨酯橡胶。

本发明换能器所采用的密封方式采用灌注密封。聚丙二醇醚聚氨酯橡胶配置后为流动液体，把它倾入振子（由前盖板、负电极片、第一环形压电陶瓷片、正电极片、第二环形压电陶瓷片、后盖板、应力螺杆、导线组成的整体结构）和模具的空隙中，把振子上需要密封的部位包覆起来达到密封效果。灌注密封有以下优点：（1）适宜于形状和结构复杂的换能器；（2）制作中不加压应力，对换能器无损伤；（3）固化温度范围宽，可从室温到125℃，以100-125℃温度范围固化性能较好；（4）工艺方便，固化后的器件（聚丙二醇醚聚氨酯橡胶）表面还可以进行切削加工，有缺陷的地方还可以修补。其中，封装在前盖板前端面上的密封层厚度h为该换能器发出声波波长的四分之一，因为此时透射损失最小，该比例是通过大量的理论分析计算而得出的。此外，灌注密封的聚丙二醇醚聚氨酯橡胶中不允许有气泡相杂其间。

在密封层上还开设有环形卡槽，环形卡槽的位置位于第二环形压电陶瓷片与后盖板相接触的部位。因为该部位为振动换能器的节点，此处振幅最小。

本发明水密封装换能器由传统的固定在铝板上变为直接向水中辐射声波，即工作状态由重负载变为轻负载，所以换能器的振动位移增大了，而所需要的驱动电压降低了，于是能耗大为降低。同时还降低了声波能量传输损耗。

本发明水密封装换能器可根据清洗水箱的形状任意组成阵列，且清洗过程中发现阵列中任何一个换能器达到寿命极限时可及时更换，可维护性高，相比之下节约了资源，且可以一直保持较高的清洗效率。

本发明水密封装型超声清洗换能器选材合理，密封工艺简单，成本低，可靠性高。本发明水密封装型超声清洗换能器可直接放在清洗槽中工作，组阵方便，增加了匹配电感，节省了能源，提高了清洗效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为平面波在两种不同均匀介质界面上垂直入射的反射和折射示意图。

图中：1-前盖板、2-后盖板、3-负电极片、4-第一环形压电陶瓷片、5-正电极片、6-第二环形压电陶瓷片、7-预应力螺杆、8-绝缘套管、9-导线、10-匹配电感、11-密封层、12-环形卡槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种水密封装型超声清洗换能器，包括前盖板1和后盖板2，在前盖板1和后盖板2之间从前到后依次安装有负电极片3、第一环形压电陶瓷片4、正电极片5和第二环形压电陶瓷片6，并且前盖板1、负电极片3、第一环形压电陶瓷片4、正电极片5、第二环形压电陶瓷片6和后盖板2之间通过预应力螺杆7锁紧；预应力螺杆7上位于电极片和环形压电陶瓷片的一段套设有绝缘套管8，电极片和环形压电陶瓷片套设在绝缘套管8上；第一、二环形压电陶瓷片4、6的正电极面与正电极片5接触，正、负电极片5、3上分别连接有用于与屏蔽电缆连接的导线9；在与正电极片5连接的导线9上还串联有匹配电感10；在由前盖板1、负电极片3、第一环形压电陶瓷片4、正电极片5、第二环形压电陶瓷片6、后盖板2、预应力螺杆7、匹配电感10和导线9组成的整体结构外部灌注封装有密封层11，使其被灌注封装成一个整体的圆柱体结构，所述密封层11选用的密封材料为聚丙二醇醚聚氨酯橡胶；连接在正、负电极片5、3上的两根导线接屏蔽电缆的一端露于密封层11外部；封装在前盖板1前端面上的密封层11厚度h为该换能器发出声波波长的四分之一；所述匹配电感10的感值为：

，式中：ω_S为该换能器的机械谐振圆频率，R为该换能器的动态电阻，C_O为该换能器的静态电容。

进一步地，为方便本发明换能器的安装，在其密封层11上还开设有环形卡槽12，环形卡槽12的位置位于第二环形压电陶瓷片6与后盖板2相接触的部位。

具体实施时，所述的前盖板1采用铝合金材料制作而成；所述的第一、二环形压电陶瓷片4、6采用PZT—8发射型材料制作而成；所述的正、负电极片5、3采用铍青铜片；所述的后盖板2采用45号钢制作而成；所述的预应力螺杆7采用40号钢制作而成。

Claims

1.一种水密封装型超声清洗换能器，包括前盖板（1）和后盖板（2），在前盖板（1）和后盖板（2）之间从前到后依次安装有负电极片（3）、第一环形压电陶瓷片（4）、正电极片（5）和第二环形压电陶瓷片（6），并且前盖板（1）、负电极片（3）、第一环形压电陶瓷片（4）、正电极片（5）、第二环形压电陶瓷片（6）和后盖板（2）之间通过预应力螺杆（7）锁紧；预应力螺杆（7）上位于电极片和环形压电陶瓷片的一段套设有绝缘套管（8），电极片和环形压电陶瓷片套设在绝缘套管（8）上；第一、二环形压电陶瓷片（4、6）的正电极面与正电极片（5）接触，正、负电极片（5、3）上分别连接有用于与屏蔽电缆连接的导线（9）；其特征在于：在与正电极片（5）连接的导线（9）上还串联有匹配电感（10）；在由前盖板（1）、负电极片（3）、第一环形压电陶瓷片（4）、正电极片（5）、第二环形压电陶瓷片（6）、后盖板（2）、预应力螺杆（7）、匹配电感（10）和导线（9）组成的整体结构外部灌注封装有密封层（11），使其被灌注封装成一个整体的圆柱体结构，所述密封层（11）选用的密封材料为聚丙二醇醚聚氨酯橡胶；连接在正、负电极片（5、3）上的两根导线接屏蔽电缆的一端露于密封层（11）外部；封装在前盖板（1）前端面上的密封层（11）厚度h为该换能器发出声波波长的四分之一；所述匹配电感（10）的感值为：，式中：ω_S为该换能器的机械谐振圆频率，R为该换能器的动态电阻，C_O为该换能器的静态电容。

2.根据权利要求1所述的水密封装型超声清洗换能器，其特征在于：在密封层（11）上还开设有环形卡槽（12），环形卡槽（12）的位置位于第二环形压电陶瓷片（6）与后盖板（2）相接触的部位。

3.根据权利要求1或2所述的水密封装型超声清洗换能器，其特征在于：所述的前盖板（1）采用铝合金材料制作而成；所述的第一、二环形压电陶瓷片（4、6）采用PZT—8发射型材料制作而成；所述的正、负电极片（5、3）采用铍青铜片；所述的后盖板（2）采用45号钢制作而成；所述的预应力螺杆（7）采用40号钢制作而成。