超声波换能器的匹配设计
超声波换能器声阻抗匹配
超声波换能器声阻抗匹配
超声波换能器声阻抗匹配是超声波应用中的重要问题。
在超声波传播过程中，声波会从一个介质到另一个介质中传播，这两个介质的声阻抗往往不同。
为了实现最大的能量传递和最小的能量反射，需要进行声阻抗匹配。
声阻抗是指声波在介质中传播时遇到的阻力，它是介质的密度和声速的乘积。
当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质的声阻抗不同，会产生反射和透射。
如果两个介质的声阻抗不匹配，反射波会增加，透射波会减少，导致能量损失。
为了实现声阻抗的匹配，可以采用不同的方法。
一种常用的方法是使用耦合剂，将超声波换能器和被测物体之间的空气隙填充。
耦合剂可以是液体或者凝胶状物质，能够提高声波的传播效率，减少反射。
另一种常用的方法是使用匹配层。
匹配层是一种具有特殊声阻抗的材料，能够将超声波换能器的声阻抗与被测物体的声阻抗匹配。
匹配层通常是一种特殊的橡胶材料，具有与超声波换能器和被测物体相近的声阻抗。
通过使用匹配层，可以减少反射和能量损失，提高超声波的传播效率。
在实际应用中，超声波换能器的声阻抗匹配对于超声检测和成像的质量至关重要。
如果声阻抗不匹配，会导致信号衰减、图像模糊和
分辨率降低。
因此，声阻抗匹配是超声波应用中需要重视的问题。
超声波换能器声阻抗匹配是超声波应用中的重要问题。
通过合理选择耦合剂或使用匹配层，可以实现声阻抗的匹配，提高超声波的传播效率，从而获得更清晰、更准确的超声检测和成像结果。
这对于超声波应用的发展具有重要意义。
我们应该重视声阻抗匹配问题，不断研究和改进匹配技术，推动超声波应用的进一步发展。
超声波换能器起振条件
超声波换能器起振条件
超声波换能器（也称为超声波振荡器或超声波发生器）是一种将电能转换为机械振动能的装置，通常由压电陶瓷、磁致伸缩材料等构成。
它的起振条件取决于所使用的压电材料或磁致伸缩材料的特性。
对于压电超声波换能器，其起振条件通常包括以下几个方面：
1. 共振频率匹配：超声波换能器需要与其机械振动的共振频率匹配，才能有效地将电能转换为机械振动能。
因此，选择合适的驱动频率是确保超声波换能器正常起振的关键。
2. 合适的激励电压：在共振频率匹配的前提下，需要施加适当的激励电压以激发压电材料产生机械振动。
激励电压的大小通常由超声波换能器的设计和工作要求决定。
3. 机械质量和耦合效率：超声波换能器的机械质量和与其相连的负载的耦合效率也会影响起振条件。
较低的机械质量和较高的耦合效率有助于提高超声波换能器的起振性能。
对于磁致伸缩材料制成的超声波换能器，起振条件与压电材料的类似，但会涉及到磁场的作用和控制。
综上所述，确保超声波换能器正常起振的关键是选择合适的驱动频率、施加适当的激励电压，并考虑机械质量和耦合效率等因素。
压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器是一种将电能转换为机械能的装置，广泛应用于超声波清洗、超声波焊接、超声波探测等领域。
在压电超声换能器的应用中，电端匹配是非常重要的一环，直接影响到换能器的效率和性能。
传统的电端匹配方法是通过在换能器电端串联或并联电阻、电容或电感来实现的。
但是，这些方法存在一些问题，如匹配精度不高、调试复杂等。
为了解决这些问题，一些新的电端匹配方法被提出。
其中，一种新型的压电超声换能器初级串联匹配法被认为是一种有效的方法。
该方法通过在换能器初级串联一个合适的电容来实现电端匹配，具有匹配精度高、调试简单等优点。
该方法的原理是基于空芯变压器模型理论。
在压电超声换能器中，电场和磁场的作用是通过空芯变压器模型理论来描述的。
该理论认为，在一定的频率下，压电陶瓷的介电常数会发生变化，从而改变换能器的等效电容和等效电感。
通过在初级串联电容，可以调节换能器的等效电容和等效电感，从而实现电端匹配。
具体实现上，该方法需要选择合适的电容值，并进行实验验证。
通过调整电容值，可以使得换能器的阻抗在一定频率范围内与负载阻抗相匹配。
实验结果表明，该方法可以显著提高换能器的转换效率和输出功率。
总之，压电超声换能器初级串联匹配新方法是一种有效的电端匹配方法，具有匹配精度高、调试简单等优点。
通过该方法的应用，可以提高压电超声换能器的性能和效率，进一步推动超声技术的应用和发展。
超声波焊接机换能器的设计
超声波焊接机换能器的设计1. 引言超声波焊接技术是一种常用的非常规焊接方法，通过超声波振动将焊接接头加热至熔点，实现接头的焊接。
而超声波焊接机的核心部件就是换能器，它能将电能转换为机械能，产生高频振动，从而实现焊接。
本文将详细介绍超声波焊接机换能器的设计，包括换能器的原理、设计要求、材料选择、结构设计等方面的内容。
2. 换能器的原理超声波焊接机的换能器是一种能将电能转换为机械能的装置，其原理基于压电效应。
压电材料在电场的作用下会发生形变，而当施加的电场频率与材料固有频率相同时，形变达到最大值。
利用这个原理，换能器可以将电能转换为机械能，并产生高频振动。
3. 设计要求超声波焊接机换能器的设计需要满足以下几个基本要求：3.1 高效率换能器需要能够将输入的电能高效地转换为机械能，并将能量传递给焊接接头，以实现快速而稳定的焊接。
3.2 耐高温焊接过程中，换能器需要承受高温环境，因此需要选择能够在高温下保持稳定性能的材料。
3.3 高可靠性换能器需要具备良好的可靠性，能够长时间稳定工作，不易发生故障。
3.4 易于安装和维护换能器的结构设计应该简单，方便安装和维护，以提高使用效率。
4. 材料选择超声波焊接机换能器的材料选择是设计的关键之一。
常用的材料包括压电陶瓷、钛合金、不锈钢等。
4.1 压电陶瓷压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有良好的压电性能和高温稳定性。
常用的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛酸钡）和PZT-8等。
4.2 钛合金钛合金具有良好的机械性能和耐高温性能，适合用于超声波焊接机换能器的制作。
4.3 不锈钢不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，也是一种常用的换能器材料。
5. 结构设计超声波焊接机换能器的结构设计需要考虑振动效果和焊接接头的适配性。
5.1 换能器头换能器头是换能器的核心部件，其形状和尺寸会影响焊接效果。
常见的换能器头形状有圆形、方形等，尺寸可以根据具体需求进行设计。
5.2 固定装置换能器需要通过固定装置固定在超声波焊接机上，以保证焊接过程中的稳定性。
超声波发生器与换能器的匹配设计
时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
超声换能器及匹配电路
检测超声换能器
检测超声换能器是实现产生和接收超声信 号的主要器件.目前检测超声换能器主要是 利用压电材料制成的压电陶瓷超声换能器、 静电换能器以及电磁声换能器等.
电磁超声
F=I×B
图为一个传统的压电式超声检测用纵波直 探头.
静态匹配电路
55静态匹配电路静态匹配电路66电感电容匹配改进电感电容匹配t型匹配77比较比较串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功电阻且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹配的激励电压
超声换能器及匹配电路超声波• 特性：方向性好强度大、对固体、液体 的穿透本领强
• 对介质的作用：机械作用、热作用、空化 作用
电感-电容匹配
改进电感电容匹配
T型匹配
比较
• 串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功 电阻,且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹 配的激励电压.
• T型网络匹配,理论推导简单,不必测L1、C1的值; 且输出电阻较单个串联电感进一步减小,是一种更 好的匹配网络.
• 改进的电感-电容匹配比电感-电容匹配的可调节 参数(L、C)增多一可变电容Cd,且有功电阻也再进 一步减少,Qe也再进一步增大,滤波性能也再进一 步增加,是一种较理想的匹配.
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，VAm为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器初级串联匹配新方法压电超声换能器是一种能够将电能和声能进行转换的器件，它具有压电效应和声表面波效应。
压电超声换能器的应用非常广泛，包括医学影像、工业无损检测、汽车防撞系统等领域。
在许多应用中，将多个压电超声换能器进行串联匹配以获得更高的性能是非常重要的。
本文将介绍一种初级串联匹配的新方法，帮助读者更好地理解和应用压电超声换能器。
第一部分：压电超声换能器的基本原理1.1 压电效应我们来简单介绍一下压电效应。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料，在受到外力作用时会产生电荷分布不均，从而产生极化现象。
当外场施加在压电材料上时，材料中的正负电荷会发生重分布，产生一定的电势差和电场。
这样的材料被应用在换能器件中，当外界施加电场或者机械应力，就可以实现电能和声能的相互转换。
1.2 声表面波效应另外一个和压电超声换能器紧密相关的概念是声表面波效应。
声表面波是一种能够在固体表面上传播的超声波，它具有传播距离远、衰减小等特点，非常适合作为无线电频率的滤波器和延时线。
压电超声换能器利用声表面波效应，可以实现声波和电信号的高效转换。
第二部分：压电超声换能器串联匹配的传统方法2.1 串联匹配的重要性在实际应用中，通常需要将多个压电超声换能器进行串联匹配，以满足特定的电压、频率和功率要求。
串联匹配不仅可以提高整体换能器的工作性能，还能够实现更高灵敏度和更广泛的频率响应范围。
串联匹配是压电超声换能器设计中非常重要的一环。
2.2 传统的串联匹配方法在传统的压电超声换能器串联匹配方法中，通常需要通过复杂的电路设计和频率调节，以实现多个换能器的匹配。
这种方法需要大量的试验和调整，而且往往无法充分发挥每个换能器的性能，导致整体性能无法达到最优化。
第三部分：压电超声换能器初级串联匹配新方法3.1 方法原理为了解决传统串联匹配方法存在的问题，我们提出了一种初级串联匹配的新方法。
该方法基于多个压电超声换能器之间的物理特性差异，通过合理的电路设计和参数选择，实现了更加简单高效的匹配过程。
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超声波换能器的匹配设计
一、匹配概述
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配
为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：
式中，V Am为等效负载上的基波幅度；
vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故
为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；
从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数
比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初
级的
若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比
以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。
为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。
一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取
铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。
ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。
因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。
为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。
2.要保证初级电感量足够大
一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励
6.5Ω
磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。
3．要考虑“集肤效应”的影响
在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。
这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。
三、调谐匹配
由于压电换能器有静电容Co，磁致伸缩换能器有静电感LO，在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角φ，其输出功率PO ＝VRLIRLcosφ。
由于φ的存在，输出功率达不到最大值。
只有当φ=0时，输出功率达最大值。
因此为了使换能器上电压VRL与电流IRL同相(φ=0)，则必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。
对于压电换能器而言，即并上或串上一个电感L0即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容C0。
压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1．52所示。
在等效电路图中
式中R'(f)，X'(f)为串联电阻和电抗；R(f)，G(f)，B(f)为并联电阻、电导和电纳。
它们都是频率的函数。
并联调谐和串联调谐电感量由下式确定：
下面我们比较一下两种调谐的差异
图1-53，1-54是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，
1.由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L串<L并
2.并联调谐不改变换能器并联电导响应，而串联调谐后电导响应呈双峰，
导纳圆图为二个重叠的圆。
3.串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小，即串联调谐可获得相对低的
输入电阻。
4.从串、并联调谐的输入相角过零点情况看，作为宽带特性并联调谐优于
串联调谐。
5.目前在功率超声中用串联调谐较多，除上述串联的特性外，还有当换能
器负载有短路现象时，因串联调谐有电感串在发生器输出回路中，不会
使功放负载造成完全短路。
在实际匹配电路调节中，有时要稍调获感性
负载为好，对功放电路有利，有的末极功放发射极上串上一小电感可能
也有好处。
前面也曾提到，作为电压开关的D类功放，容性负载造成对
高次谐波的短路作用，会给开关带来危险。
但也要注意感性负载会使管
子反峰电压增加。
四、关于匹配电感的设计
匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感，其电感量可按下式计算。
式中ω为线圈匝数，Sc为铁芯有效截面积(cm2)；lc铁芯平均磁路长度(cm)；μe铁芯有效磁导率，
式中，μ~铁芯磁导率,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc〉〉1／μ~,故
所以
由此可见电感L与间隙lg近似成反比，调节lg间隙即可调节LO。
设计电感有以下几个步骤；
(1) 按ωs c选铁芯
式中V为输出电压有效值(V)；f为工作频率(Hz)；B为铁芯磁感应强度。
一般选MXO一2000E型磁芯较多，匝数计算如下；
(2)计算磁芯间隙lg
(3)确定导线
考虑到高次谐波和超声频率较高，顺计及高频电流的邻近效应和集肤效应的因素。
当f>10kHz时由邻近效应引起的交流电阻R~约为其直流电阻Rd的2—10倍，铜耗pr也要比直流铜耗Pro增大同样倍数。
令增大倍数为k，则：Pr=kPro
因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的1／k-1来选择。
关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度B来表示：
式中，μ为导线磁导率，r为导线电导率。
为减少集肤效应的影响，所选导线直径D必须小于两倍穿透深度B，否则采用扁平线或者高频线。
在功率超声中其频率为15-40千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。
匹配电感连续工作8小时如果温升正常，则表明设计是成功的。