CN113594351A - 一种谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制系统，换能器包括压电片，后声盖与前声盖同轴线且留有间距并设有绝缘套管，螺栓轴向穿过后声盖、套管后与前声盖连接；后声盖与前声盖之间依次层叠第一驱动压电片负极电极片、第一负向极化的驱动压电片、第一驱动压电片正极电极片、第一正向极化的驱动压电片、第二驱动压电片负极电极片、第二负向极化的驱动压电片、第二驱动压电片正极电极片、第二正向极化的驱动压电片、第一调节压电片连接电极片、第一调节压电片、第二调节压电片连接电极片、第二调节压电片；压电片都外套于套管。本发明使压电换能器的谐振频率保持在设定谐振频率，提高工作效率，保证在大负载工况下长时间稳定工作。
Description
技术领域
本发明属于夹心式压电换能器制造技术领域，具体涉及一种谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制系统。
背景技术
超声波换能器是超声振动系统的核心元件，其中夹心式压电换能器具有频率高、功率大、结构简单、工作稳定、制造成本低、机电转换效率高等优点。随着功率超声广泛应用于医疗、清洗、加工、检测等领域，超声换能器的工作负载也随着应用场景的不同而变得不同。工作负载会导致压电换能器实际工作频率偏离设计谐振频率，当换能器工作于大负载环境下，相应地外界负载变化引起系统谐振频率的漂移也会加剧，从而导致振动系统更易失谐，致使换能器和超声电源发热损坏的机率增加。
除了负载对压电换能器谐振频率的影响，温度变化也会造成换能器频率漂移。压电换能器工作在交变电场下，由于极化驰豫和漏电产生的介电损耗约占40％以上的输入电功率，同时材料内摩擦还会产生的机械损耗。这两部分能量损耗绝大部分会以热量的形式消耗掉，同时压电陶瓷为绝缘材料，其导热性能差，导致热量在换能器内部积聚。温度升高会导致压电换能器阻抗变化、频率漂移，振幅、机电耦合系数等工作性能参数变化。
随着现代功率超声技术的不断发展，超声清洗、超声焊接等应用场景均需要超声换能器能够长时间稳定地输出振幅，工作效率高。目前主要通过超声波电源自动频率追踪、阻抗匹配来解决压电换能器因温度和负载变化导致的频率漂移和阻抗变化的问题。但是，超声波电源的频率追踪和阻抗匹配是被动调节，只改变超声波电源的输出频率和阻抗匹配电路，换能器的谐振频率依然随着阻抗和温度的变化而变化，因此换能器的性能仍然会受到温度和负载的影响。
中国专利申请号2015102896526公开了一种基于不同厚度的压电材料层的叠堆压电换能器，其可以拓展高频换能器的宽带。但该技术方案也存在上述技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中夹心式压电换能器会受到工作负载、温度和环境的影响，导致阻抗变化频率漂移的问题，本发明提出了一种谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制系统，使压电换能器的谐振频率保持在设定谐振频率，提高其工作效率，保证其能够在大负载工况下长时间稳定工作，满足实际工程应用要求。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种谐振频率可调压电换能器，包括螺栓、后声盖、绝缘套管、驱动压电片负极电极片、驱动压电片正极电极片、调节压电片连接电极片、负向极化的驱动压电片、正向极化的驱动压电片、调节压电片及前声盖，后声盖与前声盖同轴线且留有间距布设，螺栓轴向穿过后声盖后与前声盖连接；后声盖与前声盖之间的间距还设有绝缘套管，螺栓穿过绝缘套管；后声盖与前声盖之间的间距依次层叠第一驱动压电片负极电极片、第一负向极化的驱动压电片、第一驱动压电片正极电极片、第一正向极化的驱动压电片、第二驱动压电片负极电极片、第二负向极化的驱动压电片、第二驱动压电片正极电极片、第二正向极化的驱动压电片、第一调节压电片连接电极片、第一调节压电片、第二调节压电片连接电极片、第二调节压电片；第一驱动压电片负极电极片、第一负向极化的驱动压电片、第一驱动压电片正极电极片、第一正向极化的驱动压电片、第二驱动压电片负极电极片、第二负向极化的驱动压电片、第二驱动压电片正极电极片、第二正向极化的驱动压电片、第一调节压电片连接电极片、第一调节压电片、第二调节压电片连接电极片及第二调节压电片都外套于绝缘套管。
优选的，后声盖与前声盖外径相等。
优选的，后声盖为钢制后声盖。
优选的，前声盖为铝制前声盖。
本发明还公开了一种基于上述谐振频率可调压电换能器的频率调节控制系统，包括如下模块：
阻抗检测模块，与换能器连接，用于实时测量电压值和电流值，通过矢量法计算出换能器实时谐振频率fm、阻抗模量和阻抗相位角；
电负载计算模块，用于接收阻抗检测模块实时检测换能器的阻抗模量和阻抗相位角，通过电负载调节程序，计算出调节电路中电感值和电容值，并将信息传递到电负载调节模块；
电负载调节模块，与换能器连接，用于实时调节电感值和电容值；
GUI触摸显示屏，与电负载计算模块相连，用于设置换能器的谐振频率，并显示换能器的性能参数。
优选的，性能参数包括谐振频率、频带宽度、品质因素、等效阻抗、静态电容。
通过改变调节压电片两端的电负载，实现调节压电换能器的谐振频率，本发明技术具有在调节范围内可连续无级调节压电换能器的谐振频率。
上述谐振频率可调换能器的频率调节控制系统工作步骤如下：
S1:谐振频率可调压电换能器接通超声波电源工作后，阻抗检测模块实时测量换能器的阻抗模量和阻抗相位角，并将阻抗信息传递到电负载计算模块中；
S2:电负载计算模块中的控制程序以品质因数最大设置为目标函数，以谐振频率不变、等效阻抗小于15Ω为约束条件的电负载参数优化模型，利用SQP优化算法实现谐振频率可调压电换能器根据负载和温度变化进行自适应调节。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
(1)本发明通过改变换能器调节压电片两端的电负载，获得可调换能器任意谐振频率调节范围内的谐振频率值，相较普通换能器谐振频率固定的情况，其应用分为更广，可根据要求得到需要的谐振频率值。
(2)本发明为主动式频率调节，应对换能器的负载和温度变化引起的频率漂移和阻抗变化时，相较于采用常规的数字式超声波电源频率追踪和阻抗匹配的被动式调节方式，不改变换能器初始的谐振频率，不会降低换能器的性能。
(3)本发明的电负载调节模块可根据需要和响应的工况，选择T型调节电路、R型调节电路和L型调节电路等不同调节电路，选择不同的调节精度和响应速度。
(4)本发明的谐振频率调节控制技术方案以品质因数最大设置为目标函数，以谐振频率不变、等效阻抗小于15Ω为约束条件的电负载参数优化模型，利用SQP优化算法实现谐振频率调节控制，在保证谐振频率的同时，获得换能器最大的品质因数、最优异的工作性能，提高换能器的工作稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种优选实施例谐振频率可调压电换能器的剖视图；
图2为谐振频率可调压电换能器的Mason等效电路图；
图3为频率调节系统结构图；
图4为电负载计算模块中的调频电感L和调频电容C的计算流程图。
图中，1-12.9级内六角预紧力螺栓、2-钢制后声盖、3-铁氟龙绝缘套管、401-驱动压电片负极电极片、402-驱动压电片正极电极片、403-调节压电片连接电极片、501-负向极化的驱动压电片、502-正向极化的驱动压电片、503-调节压电片、6-铝制前声盖。
具体实施方式
下面结合优选实施例对本发明进行进一步地描述，但本发明的保护范围并不仅仅限于此。
实施例一
如图1-2所示，本实施例一种谐振频率可调压电换能器，包括12.9级内六角预紧力螺栓1、钢制后声盖2、铁氟龙绝缘套管3、驱动压电片负极电极片401、驱动压电片正极电极片402、调节压电片连接电极片403、负向极化的驱动压电片501、正向极化的驱动压电片502、调节压电片503以及铝制前声盖6，钢制后声盖2与铝制前声盖6外径相等，同轴线且留有间距布设，12.9级内六角预紧力螺栓1轴向穿过钢制后声盖2后与铝制前声盖6通过螺纹配合连接。钢制后声盖2与铝制前声盖6之间的间距还设有铁氟龙绝缘套管3，螺栓1穿过且外壁紧贴套管3。铝制前声盖6设有后螺纹孔601，用于与12.9级内六角预紧力螺栓配合；铝制前声盖6还设有前螺纹孔602，用于与变幅杆、工具头等器件配合连接。
钢制后声盖2与铝制前声盖6之间的间距依次层叠驱动压电片负极电极片401、负向极化的驱动压电片501、驱动压电片正极电极片402、正向极化的驱动压电片502、驱动压电片负极电极片401、负向极化的驱动压电片501、驱动压电片正极电极片402、正向极化的驱动压电片502、调节压电片连接电极片403、调节压电片503、调节压电片连接电极片403、调节压电片503，上述各片外套且内圈紧贴于套管3。
12.9级内六角预紧力螺栓1与铝制前声盖6的后螺纹孔601配合，将调节压电片、驱动压电片和电极片固定连接，并通过螺纹配合向驱动压电片负极电极片401、驱动压电片正极电极片402、调节压电片连接电极片403、负向极化的驱动压电片501、正向极化的驱动压电片502、调节压电片503施加预紧力，使压电陶瓷片处于压紧状态，防止压电陶瓷片在高频电信号下破裂。
钢制后声盖2与铝制前声盖6用于传递振动能量，根据Snell定理：
反射系数：R＝Z后-Z前/(Z后+Z前)
透射系数：T＝2Z前/(Z后+Z前)
其中，特性阻抗Zi＝ρici。
根据Snell定理可知，由于钢制后声盖的特性阻抗大于铝制前声盖的特性阻抗，能量从钢制后声盖中反射回来，大部分能量从特性阻抗较小的铝制前声盖传递出去。
铁氟龙绝缘套管3用于电气绝缘，防止漏电和压电片短路烧毁。
驱动压电片用于连接超声波电源，根据逆压电效应，将超声波电源输入的电信号转化为机械信号，驱动换能器。
调节压电片用于传递振动能量以及接收到驱动压电片的振动信号后根据压电效应产生电信号。
在压电换能器的驱动压电片正负极两端施加高频交流电压，通过负向极化的驱动压电片501和正向极化的驱动压电片502的逆压电效应，产生高频机械振动，通过铝制前声盖6传递出高频机械振动，产生超声波。
本实施例谐振频率可调换能器的结构为夹心式，通过螺栓将各部分连接在一起。下面根据附图2的谐振频率可调压电换能器的Mason等效电路图解释其谐振调节原理。附图2中，Zi1、Zi2、Zi3为换能器各部分的等效阻抗，n为机电转换系数，V为输入电压，C0为压电片的一维截止电容，Ze为调节压电片两端连接的电负载。换能器的频率方程决定了换能器的材料、形状、几何尺寸以及频率之间的关系，根据电路理论，将附图2的Mason等效电路图化简，得到换能器的等效输入电阻抗，令换能器的等效输入电阻抗中的电抗部分为零，即可得到换能器的频率方程。因此，由附图2可知，本发明谐振频率可调换能器的频率方程中包含了调节压电片两端连接的电负载Ze，Ze数值的大小将会影响到谐振频率可调换能器的谐振频率。根据理论研究以及实验验证，本发明谐振频率可调换能器的频率调节范围在Ze＝0对应的谐振频率和Ze＝∞对应的谐振频率之间，即谐振频率可调换能器的短路谐振频率和断路谐振频率。
本实施例通过驱动压电片的逆压电效应产生超声振动，调节压电片的压电效应以及电负载调频理论对换能器进行频率调节，具有根据负载和温度变化主动调节谐振频率、工作效率高、稳定性强等优点，可适应不同的工作负载和温度，大大提高压电换能器的能量传输效率与工作时长，提高压电换能器的工作稳定性和使用寿命，满足实际工程应用要求。
实施例二
如图3所示，一种基于实施例一谐振频率可调压电换能器的频率调节控制系统，包括如下模块：
阻抗检测模块，通过压电换能器的调节压电片连接电极片403与调节压电片503连接，实时测量电压值和电流值，通过矢量法计算出换能器实时谐振频率fm、阻抗模量和阻抗相位角，根据电负载调频理论以及电负载计算模块中的电负载调节程序，电负载调节模块实时调节电感值和电容值，进行频率调节。
电负载计算模块，用于接收阻抗检测模块实时检测的换能器阻抗模量、阻抗相位角以及实时谐振频率fm等信息，根据电负载调节程序，计算出保持谐振频率不变的最佳电负载参数，并将最佳电负载参数输出到电负载调节模块。
电负载调节程序如图4所示，首先初始化调频电感L和调频电容C，比较实时谐振频率fm和设定谐振频率fn，若相同，则直接输出调频电感L、调频电容C；若不同，则根据实时谐振频率fm计算等效电路参数，再将设定谐振频率fn和未知数调频电感L、调频电容C代入等效电路图化简的谐振频率方程，求解该方程得出n组调频电感L、调频电容C；将第1组L、C对应的品质因数Qm(i)设定为最大品质因数Qm(max)，进行比较出n组中最大品质因数Qm(max),输出其对应的调频电感L和调频电容C到电负载调节模块。
电负载调节模块，通过压电换能器的调节压电片连接电极片403与调节压电片503连接，根据电负载计算模块实时计算出的调频电感L和调频电容C，电负载调节模块实时调节电感值和电容值。
GUI触摸显示屏，用于设置换能器的谐振频率，显示换能器的谐振频率、频带宽度、品质因素、等效阻抗、静态电容等主要性能参数。
上述谐振频率可调换能器频率调节控制系统的工作步骤如下：
S1:谐振频率可调压电换能器接通超声波电源工作后，阻抗检测模块实时测量换能器的阻抗模量和阻抗相位角，并将阻抗信息传递到电负载计算模块中；
S2:电负载计算模块中的控制程序以品质因数最大设置为目标函数，以谐振频率不变、等效阻抗小于15Ω为约束条件的电负载参数优化模型，利用SQP优化算法实现谐振频率可调压电换能器根据负载和温度变化进行自适应调节。
本实施例的电负载调节模块可根据需要选择T型调节电路、R型调节电路和L型调节电路等不同调节电路。整个调节系统的控制均由电负载计算模块中的程序控制。本发明中电负载计算模块的核心是根据负载和温度的变化，调节电负载调节模块中的电负载值，使得换能器的品质因数最大且等效阻抗小于15Ω，并保持换能器实际工作谐振频率保持在GUI触摸显示屏上设置的谐振频率值。
本实施例谐振频率可调压电换能器及其频率调节控制方法在工程实际中具有较大的应用价值，也可以类推应用于其他相关声学换能器及基阵的设计当中，具有通用性。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种谐振频率可调压电换能器，其特征是包括螺栓、后声盖、绝缘套管、驱动压电片负极电极片、驱动压电片正极电极片、调节压电片连接电极片、负向极化的驱动压电片、正向极化的驱动压电片、调节压电片及前声盖，后声盖与前声盖同轴线且留有间距布设，螺栓轴向穿过后声盖后与前声盖连接；后声盖与前声盖之间的间距还设有绝缘套管，螺栓穿过绝缘套管；
后声盖与前声盖之间的间距依次层叠第一驱动压电片负极电极片、第一负向极化的驱动压电片、第一驱动压电片正极电极片、第一正向极化的驱动压电片、第二驱动压电片负极电极片、第二负向极化的驱动压电片、第二驱动压电片正极电极片、第二正向极化的驱动压电片、第一调节压电片连接电极片、第一调节压电片、第二调节压电片连接电极片、第二调节压电片；第一驱动压电片负极电极片、第一负向极化的驱动压电片、第一驱动压电片正极电极片、第一正向极化的驱动压电片、第二驱动压电片负极电极片、第二负向极化的驱动压电片、第二驱动压电片正极电极片、第二正向极化的驱动压电片、第一调节压电片连接电极片、第一调节压电片、第二调节压电片连接电极片及第二调节压电片都外套于绝缘套管。
2.如权利要求1所述的谐振频率可调压电换能器，其特征是，所述的后声盖与前声盖外径相等。
3.如权利要求1所述的谐振频率可调压电换能器，其特征是，所述的后声盖为钢制后声盖。
4.如权利要求1-3任一项所述的谐振频率可调压电换能器，其特征是，所述的前声盖为铝制前声盖。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述谐振频率可调压电换能器的频率调节控制系统，其特征是包括如下模块：
阻抗检测模块，与换能器连接，用于实时测量电压值和电流值，通过矢量法计算出换能器实时谐振频率fm、阻抗模量和阻抗相位角；
电负载计算模块，用于接收阻抗检测模块实时检测换能器的阻抗模量和阻抗相位角，通过电负载调节程序，计算出调节电路中电感值和电容值，并将信息传递到电负载调节模块；
电负载调节模块，与换能器连接，用于实时调节电感值和电容值；
GUI触摸显示屏，与电负载计算模块相连，用于设置换能器的谐振频率，并显示换能器的性能参数。
6.如权利要求5所述谐振频率可调压电换能器的频率调节控制系统，其特征是，所述的性能参数包括谐振频率、频带宽度、品质因素、等效阻抗、静态电容。
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