CN108020599A - 用于检测超声波换能器的压电材料的断裂的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测超声波换能器的压电材料的断裂的方法和装置。通过利用超声波套件的测试扫描测量测试压电耦合常数来检测超声波装置的超声波套件的超声波换能器中的压电材料的断裂。将测试压电耦合常数与先前测量的基线压电耦合常数进行比较。当测试压电耦合常数比基线压电耦合常数小超过预定量时，确定压电材料断裂。

Description

用于检测超声波换能器的压电材料的断裂的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月2日提交的美国临时申请第62/416,418号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及具有超声波套件的超声波装置，更具体地，涉及检测超声波套件的超声波换能器的压电材料断裂。
背景技术
本节提供与本公开内容相关的背景信息，其不一定是现有技术。
某些超声波装置具有由电源激励的超声波套件(ultrasonic stack)，该电源通常也用于控制超声波装置。超声波套件包括超声波换能器和以超声波方式耦合至超声波换能器的任何部件，典型地为变幅杆和超声波模具。这样的超声波装置的示例包括超声波焊接机，例如用于将金属部件焊接在一起的那些超声波焊接机、用于将塑料部件焊接在一起的那些超声波焊接机、以及用于密封金属管或塑料管的端部的那些超声波焊接机(其与用于将金属部件或塑料部件焊接在一起的那些超声波焊接机基本上相同)。
图1示出了典型超声波装置100的超声波套件102和电源104的模型。应当理解，超声波装置100可以是具有由电源激励的超声波套件的任何类型的超声波装置。超声波套件102的典型部件包括超声波换能器106、变幅杆(booster)108和超声波模具110。超声波模具通常具有一个或更多个超声波模具尖端112。变幅杆108和超声波模具110以超声波方式连接(直接地或经由另一部件)至超声波换能器106。在图1的示例中，变幅杆108安装至超声波换能器106使变幅杆108以超声波方式连接至超声波换能器106，并且超声波模具110安装至变幅杆108使超声波模具110以超声波方式连接至变幅杆108，从而使超声波模具110经由变幅杆108以超声波方式连接至超声波换能器106。应当理解，超声波换能器在本领域中也称为超声波转换器，并且这些术语可互换使用。电源104由包括存储器116的控制器114控制。应当理解，控制器114可以包括在电源104中或者与电源104分开。超声波装置100通常将包括砧(未示出)，在砧上待处理的工件在被处理时由超声波模具尖端112支承并接触。例如，如果将两个金属部件或塑料部件焊接在一起，则它们被支承在砧上，并且在焊接过程中通过超声波模具尖端按压在一起，使两个部件之一超声振动以将两个部件通过超声波焊接在一起。
超声波换能器的压电材料例如由于在压电材料中产生裂纹有时会断裂。这导致超声波换能器的效率和增益的损失，其将不利地影响超声波过程。当压电材料中产生裂纹时，通常没有可视方法可以在不拆卸超声波换能器的情况下进行检测，特别是当超声波换能器具有壳体时。因此，期望检测超声波换能器的压电材料何时断裂。而且期望当超声波换能器的压电材料被检测为断裂时提供警报。
发明内容
本节提供本公开内容的总体概述，并非是全部公开内容的的全部范围或所有特征。
根据本公开内容的一个方面，一种检测超声波装置的超声波套件的超声波换能器中的压电材料的断裂的方法包括：将测试压电耦合常数与基线压电耦合常数进行比较，并且当测试压电耦合常数比基线压电耦合常数小超过预定量时确定压电材料断裂。利用超声波装置的电源执行的超声波套件在空气中的测试扫描来测量测试压电耦合常数，并且与先前测量的基线压电耦合常数进行比较。
根据一个方面，通过如下来建立基线压电耦合常数：当超声波换能器的压电材料已知为良好时利用超声波装置的电源执行超声波套件在空气中的基线扫描，并且利用超声波套件的基线扫描来测量基线压电耦合常数。根据一个方面，将基线压电耦合常数存储在控制器的存储器中作为基线压电耦合常数，并且控制器将测试压电耦合常数与基线压电耦合常数进行比较，并且当测试压电耦合常数比基线压电耦合常数小超过预定量时确定压电材料断裂。根据一个方面，控制器在确定压电材料断裂时提供警报。
根据本文提供的描述其他适用范围将变得明显。本发明内容的描述和具体示例仅仅是为了说明的目的，并非旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明所选择的实施方式而不是所有可能的实现方式，并非旨在限制本公开内容的范围。
图1是典型的现有技术的超声波装置的简化图；
图2是示出图1的超声波装置的超声波套件的典型的现有技术扫描的图表；以及
图3是根据本公开内容的一个方面的用于检测超声波装置的超声波换能器的压电材料是否断裂的控制程序的流程图。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记表示对应的部分。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。
以下将参照图1的超声波装置100进行讨论，但是应当理解，以下内容适用于具有由电源激励的超声波套件的任何超声波装置。在这方面，应当理解，根据如下所述的本公开内容的一个方面的检测超声波换能器106的压电材料的方法与现有技术的超声波装置中使用的方法不同，并且图1和图2是现有技术的说明并不意味着以下描述的方法属于现有技术。
根据本公开内容的一个方面，测量压电耦合系数Kz以确定超声波换能器106的压电材料是否断裂。如本领域已知的那样，压电耦合系数描述了超声波换能器的压电材料将电能转换为机械能以及将机械能转换为电能的效率。压电耦合系数Kz通过电源104利用超声波套件102的扫描来测量，如下面更详细地讨论的。更具体地，当要检查超声波换能器106以确定超声波换能器106的压电材料是否断裂时，利用超声波套件102的测试扫描来测量压电耦合系数Kz。将该压电耦合系数Kz与先前利用超声波套件102的基线扫描测量的压电耦合系数Kz进行比较。利用测试扫描测量的压电耦合系数Kz在本文中被称为测试压电耦合系数Kzt，并且利用基线扫描测量的压电耦合系数Kz在本文中被称为基线压电耦合系数Kzb。如果测试压电耦合系数Kzt比基线测试压电耦合系数Kzb小超过预定量，则确定超声波换能器的压电材料断裂。
使用在超声波套件102的扫描期间测量的某些参数来测量压电耦合系数Kz，并且使用这些所测量的参数来计算压电耦合系数Kz。如本文所使用的，超声波套件102的扫描是由电源104进行的超声波套件102的扫频，其中测量在扫频中的每个频率处递送到超声波换能器106的电压和电流。扫频的频率步长取决于典型的1Hz频率步长所需的保真度。如在图2中可以看出的，超声波套件102的典型扫描将具有处于最高阻抗的并联谐振频率和在低于并联谐振频率的频率处处于最低阻抗的串联谐振频率。扫频是包括并联谐振频率和串联谐振频率的整个频率范围，并且可以对超声波换能器106启发式地或理论上地确定该范围。超声波换能器106的额定频率的+/-10％的频率范围通常就足够了。
根据扫描信息通过以下公式来计算压电耦合系数Kz：
其中：
Kz是压电耦合系数；
Vnom是电源的额定电压；
GS是超声波套件的增益；
x0是超声波换能器的额定振幅；
η是超声波换能器的效率；
fP是超声波套件的并联谐振频率；
fS是超声波套件的串联谐振频率；
ZP为并联谐振处的阻抗(VP/IP)；
ZS是串联谐振处的阻抗(VS/IS)；
VP是在并联谐振处的电源电压(所测量的参数)；
IP是在并联谐振处的电源电流(所测量的参数)；
VS是在串联谐振处的电源电压(所测量的参数)；
IS是在串联谐振处的电源电流(所测量的参数)。
根据频率扫描通过以下公式来计算超声波换能器的效率：
其中：
tanδ＝压电损耗系数。
应当理解，通过电源104使用传感器来测量上面被确定为所测量的参数的参数，电源104以已知方式配置有传感器。
根据本公开内容的一个方面，通过如下来建立基线压电耦合常数Kzb：由电源104在控制器114的控制下利用良好的超声波换能器执行超声波套件102在空气中的基线扫描，并且控制器114利用该基线扫描测量压电耦合常数Kz，该压电耦合常数Kz被设定为基线压电耦合常数Kzb。例如在超声波装置100的原始组装期间或者在最初设立超声波装置100用于例如在生产设备中的操作时执行该基线扫描。此后，当需要确定超声波换能器106的压电材料是否断裂时，通过电源104来执行超声波套件102在空气中的测试频率扫描并且由控制器114测量测试压电耦合常数Kzt。如果测试压电耦合常数Kzt的值比基线压电耦合常数Kzb的值小超过预定量时，则控制器114确定超声波换能器的压电材料断裂。在一个方面中，控制器114提供超声波换能器106的压电材料断裂的警报。通过举例而非限制的方式，警报可以是由控制器114照亮的视觉指示、用户界面例如图1中以虚线示出的用户界面118的屏幕上的消息、发送到监视超声波装置100的远程系统的信息、或上述的任意组合。
应当理解，在测试压电耦合系数Kzt和基线压电耦合系数Kzb的计算中不需要使用上述公式中的一个或更多个常数，只要用于确定测试压电耦合系数Kzt和基线压电耦合系数Kzb的计算使用相同的常数即可。例如，对于给定电源、超声波套件和超声波换能器Vnom、GS、x0和tanδ都是常数，所以对于给定电源、超声波套件和超声波换能器在用于确定测试压电耦合系数Kzt和基线压电耦合系数Kzb的计算中不需要使用这些常数。
图3是说明性地在控制器114中实现的用于上述检测超声波换能器106的压电材料是否断裂的方法的控制程序的流程图。控制程序从300开始。在302处，控制程序检查是否要测试超声波换能器106的压电材料以确定压电材料是否断裂。如果不测试，则控制程序分支返回到302。如果要测试压电材料，则控制程序进行到304，在304处如上所述利用超声波套件102在空气中的扫描来测量测试压电耦合常数Kzt。然后控制程序进行到306，在306处将测试压电耦合常数Kzt与先前测量的基线压电耦合常数Kzb进行比较，并进行到308。在308处，控制程序检查测试压电耦合常数Kzt是否比基线压电耦合常数Kzb小超过预定量。如果不是，则控制程序确定压电材料没有断裂并且分支返回到302。如果测试压电耦合常数Kzt比基线压电耦合常数Kzb小超过预定量，则控制程序确定压电材料断裂并进行到310，在310处如上所述提供警报，然后在312处结束。
提供对实施方式的前述描述用于说明和描述的目的。其并非意在穷举或限制公开内容。具体实施方式的各个元件或特征通常不限于该具体实施方式，而且在适用的地方是可互换的，并且可以用于所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述也是如此。具体实施方式的各个元件或特征在许多方面也可能改变。这样地变化不被视为偏离本公开内容，并且所有这样地修改旨在被包括在本公开内容的范围内。
如本文所使用的，术语控制器、控制模块、控制系统等可以指以下内容、可以是以下内容的一部分、或者可以包括以下内容：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享的、专用的或成组的)；可编程逻辑控制器；可编程控制系统，例如基于处理器的控制系统，包括基于计算机的控制系统；过程控制器，例如PID控制器；或提供所描述的功能或者如本文所述的当用软件编程时提供上述功能的其它合适的硬件组件；或上述的一些或全部的组合，例如芯片上系统。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享的、专用的或成组的)。当陈述这样的设备执行功能时，应当理解，该设备被配置成通过适当的逻辑(例如软件、硬件或其组合)执行功能。
为了便于描述如在附图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系，在本文中可以使用空间相对术语，例如“内”、“外”、“下方”、“之下”、“下”、“之上”、“上”等。空间相对术语可以旨在涵盖除了在附图中所示的取向之外的装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在附图中的装置被倒置，则被描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件将被定向成在其他元件或特征“之上”。因此，示例性术语“之下”可以涵盖之上和之下两个方向。该装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他取向)，而本文中所使用的空间相对描述符可以被相应地解释。

Claims (4)

1.一种检测在超声波装置的超声波套件的超声波换能器中的压电材料的断裂的方法，包括：
利用所述超声波装置的电源执行所述超声波套件在空气中的测试扫描，利用所述超声波套件的所述测试扫描来测量测试压电耦合常数，将所述测试压电耦合常数与先前测量的基线压电耦合常数进行比较，并且当所述测试压电耦合常数比所述基线压电耦合常数小超过预定量时确定所述压电材料断裂。
2.根据权利要求1所述的方法，包括通过如下来建立所述基线压电耦合常数：当所述超声波换能器的所述压电材料已知为良好时利用所述超声波装置的所述电源执行所述超声波套件在空气中的基线扫描，并且利用所述超声波套件的所述基线扫描来测量所述基线压电耦合常数。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：将所述基线压电耦合常数存储在控制器的存储器中作为所述基线压电耦合常数，并且使所述控制器将所述测试压电耦合常数与所述基线压电耦合常数进行比较，并且当所述测试压电耦合常数比所述基线压电耦合常数小超过所述预定量时确定所述压电材料断裂。
4.根据权利要求3所述的方法，包括使所述控制器在确定所述压电材料断裂时提供警报。
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