导纳圆图分析之超声波模具与电路阻抗匹配

作者: 超声波安烽 分类: 焊接知识 发布时间: 2019-04-07 17:24
安烽

导纳圆图分析之超声波模具与电路阻抗匹配,超声波振动系统包括参与超声波振动的所有器件,如超声波换能器、超声波变幅杆以及超声波模具,评定一个压电换能器或振动系统的性能优劣,需要从参数和导纳曲线图两方面进行分析,一起学习超声波焊接知识。

正常的情况下,导纳圆与电导曲线如下图

导纳圆图分析之超声波模具与电路阻抗匹配

在实际软件中的曲线如下图

导纳圆图分析之超声波模具与电路阻抗匹配

一、参数

1、机械谐振频率(Fs)

即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近期望值,并且必须与电源工作点匹配。

2、动态电阻(R1)

压电振子串联支路的电阻,在相同的支撑条件下越小越好。对于清洗或焊接振子来说,一般在5Ω-20Ω之间。如果太大的话,振子或振动系统工作会有问题,如电路不匹配或转换效率低、振子寿命短。

3、机械品质因素(Qm)

以电导曲线法确定,Qm=Fs /(F2-F1),Qm越高越好,因为Qm越高,振子的效率越高;但Qm必须与电源匹配,Qm值太高时,电源无法匹配。对于清洗振子来说,Qm值越高越好,一般来说,清洗振子的Qm要达到500-1000之间,太低的话,振子效率低,太高的话,电源无法匹配。对于超声焊接或加工来说,振子本身的Qm值一般在50-1000左右,整机系统在1500-3000,太低的话,振动效率低,但是也不能太高,因为Qm越高,工作带宽越窄,电源难以匹配,即:电源难以工作在谐振频率点,

4、自由电容(CT)

压电器件在1kHz频率下的电容值,此值和数字电容表测得的值是一致的。这个值减掉动态电容C1就可以得到真正的静电容C0,C0=CT-C1。使用时要以电感对C0进行平衡。在清洗机或超声加工机器的电路设计中,正确地平衡C0可以提高电源的功率因素,使用电感平衡有两种方法,并联调谐和串联调谐。

5、反谐振频率(Fp)

压电振子并联支路的谐振频率,在这个频率下,压电振子的阻抗Zmax最大,如果反谐振阻抗Zmax很低,则振子有问题。

二、图形

压电换能器或振动系统的振动性能可以直接通过对数坐标图进行判断,比较直观实用。

1、正常的情况下,导纳圆与电导曲线如下图,导纳圆为单圆,对数坐标图只有一对极小值和极大值:

2、异常情况下,导纳圆与电导曲线如下图, 导纳圆图上出现多个寄生小圆,对数坐标图有多对极小值和极大值:

在以下的情况中,压电陶瓷或换能器的导纳圆与电导曲线会出现异常:

(1)换能器在装配时出现晶片裂。

(2)压电陶瓷本身有问题,如内部分层。

(3)超声变幅杆、超声波模具的设计或装配出现问题。

(4)换能器同心度差造成的应力杆周围零件相碰。

一般来说,导纳曲线图和参数互相有关联,如果振子的导纳曲线图正常,则R1较低,Qm较高,反之如果振子的导纳曲线图异常,一般R1较大,Qm较小。

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