超音波谐振电路

发布时间: 2020-10-16 09:04:21

                       超音波谐振电路            

                 在超音波的应用领域中最主要的应用方式为”压电效应”。   

   

          何谓压电效应:

                   压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象, 压电材料会有压电效应是因晶

        格内原子间特殊排列方式,使得材料有应力场与电场耦合的效应,而压电效应又分成正

        压电效应和逆压电效应, 一般压电材料有陶瓷类的钛酸钡(PZT)、单晶类的石英(水

        晶)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐等,或是薄膜类的氧化锌(ZnO)。而其中逆

        压电效应,也就是将电能转换成动能,就是我们现在所讨论的范围……………。

 

              当在压电材料表面施加正电场(电压),因电场作用时电偶极矩会被拉长,压电材

        料为抵抗变化,会沿电场方向伸长,相反的,在压电材料上施加负电压,压电材料就会

        往挤压,当施予规律的频率和电压,就使压材料产生震荡……

         

                                图一   正压电与负压电效应

 

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  谐振?超音波为什么要谐振?因为压电材料在一特定的频率之下,会以最大振幅做

           振动的情形;此一特定频率称之为谐振频率,为使用在不同的场所和需求,便有各种频

           率的振动组件及各种超音波加工机器。

  

                     为了使压电材料能以最大的振幅出力,也就是谐振,其相关驱动电路就显得相当重

           要,谐振线路又分为共振和反共振线路,其线路结构端看各家超音波公司的设计方式,

           一般共振电路的方式又分自激式R.L.C匹配调谐、他激式R.L.C匹配调谐和数字式振荡调

           谐,以下就介绍这三种方式的差异性。

            

                                                                             图二   共振线路与反共振线路示意图

 

 

 

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             自激式R.L.C匹配调谐:

                    为了使超音波震动零件达到谐振,在超音波发振器的部分,就必须对振动组件,

           做一个所谓的”阻抗匹配”的动作,作为调整的组件通常以电感、电容和电阻最常见,

           一般是以可调电感为最方便,它有着使用简单及制造方便的好处;超音波振动组件在震

           荡的过程当中,会产生热,热会使的振动组件产生所谓的”热胀冷缩”效应,振动组件

           热,尺寸就会变化,尺寸变化超音波波长就会变化,波长一变化,频率就也变化,这些

           效应会连锁影响,当频率一变化,超音波发振器就必须对振动组件重新做”阻抗匹配”

          ,当超音波发振器没和发振器作组抗匹配而开始做工时,轻则效率变差,严重则发振器

           烧毁,振动组件损坏,所以在自激式R.L.C匹配调谐的机器,需注意频率、温度的变化,

           当有变化时,须做重新调整这类的机型比较不适用于长时间工作且易热的加工环境,须

           注意散热的问题。线路示意图如图三:

       

                                                                              图三      自激式R.L.C匹配调谐示意图

 

 

 

 

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             他激式R.L.C匹配调谐:

                   因自激式R.L.C匹配调谐在做阻抗批配时,需花费相当的人力及时间,遂发展出另

           一套振荡电路,基本线路也是要做匹配,但准确度无需像自激式,其原理是利用频率电

           路产生信号,欲达到谐振目的只需调整信号的频率,当频率与超音波振动零件的谐振频

           率相同时,即达谐振。如图四:

          

                                                                               图四      他激式R.L.C匹配调谐示意图

           

 

 

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             数位式振荡调谐:

                   是利用谐振的特性及原理,再搭配辅助电路对谐振电路作信号取样,使超音波发振

           器对振动组件达到谐振的目的,每家公司各有自己设计的理念及方法,并不相同……示

           意图如图五:
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                                                                          图五      数字式振荡调谐取样位置示意图

         

                   数字式振荡调谐的电路也必须对振动组件作”阻抗的匹配”,一般都是取一个近似

          值,在搭配辅助电路做一个强迫谐振的方式,以达到谐振电路系统及振动组件谐振的目

          的。

 

                 在目前业界还在一直依赖欧、日、美等国进口数字式振荡调谐的机器中。

          

          

 

 

 

                     数字式振荡调谐在应用的环境及方便性是自激式R.L.C匹配调谐和他激式R.L.C匹配

          调谐所遥不可及的,数字式振荡调谐系统不受温度和HORN尺寸及工作时间长短的影响

          ,只要振动组件是在发振的状态,系统会自动调谐,并达到系统最佳状态,不像自激式

          R.L.C匹配调谐调谐和他激式R.L.C匹配调谐,必须再作重新调整谐,在安全性和方便性

          都高出很多,也因为在温度影响方面优于前两者,故一般在工作时间长、工作环境温度

          高、质量稳定度要求高的场所都是数字式振荡调谐系统的天下……。

 

 

 

 

 

 

 

              以下简单列出几项自激式R.L.C匹配调谐、他激式R.L.C匹配调谐和数字式振荡调谐

          的优缺点:          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 优点缺点自激式R.L.C匹配调谐1.谐振速度快,在固定的条件之下   ,谐振速度约在几个毫秒之下就   达到谐振。2.共振效率高,手动调到最佳共振   点时,即达到最效率最佳的位置   。3.维修简易,使用零件较少。4.线路简单。5.单价便宜。1.须具备相关R.L.C匹配调谐技术   ,使用不方便。2. 故障率高,发生谐振异常,容   易烧毁重要组件,例如功率电晶   体…。3. 压电材料易受温度影响,使谐   振效率变差。4.系统稳定度差,易受时间、温   度和HORN的尺寸影响。他激式R.L.C匹配调谐1. 谐振速度快,当频率刚好调至振    动零件的谐振频率且阻抗匹配也   正好是谐振频率时,谐振速度约   在几个毫秒之下就可达到谐振。2. 维修简易,使用零件较少。3.单价便宜。   1.在负载差异性很大时,此系统   无法使用。2.故障率最高,如发生谐振异常   容易烧毁重要组件,例如功率   晶体或驱动线路。3.系统稳定差,易受时间、温度   和HORN的尺寸影响。4.一般使用场合须在定负载的环   境,如超音波洗净机…。数位式振荡调谐1.空载负载时均谐振。2.长时间工作时压电材料不受温   升影响超音波谐振频率。3.操作简单,更换在规定频率范   围之下的的模具无须调谐。4.线路的扩充性高,在不同频率   下线路的扩充极为方便。5.系统稳定性高。6.适用场合最多。1.单价高。2.维修不易。3.线路较复杂。