大功率壓電超聲換能器的非線性研究.pdf

1、大功率壓電超聲換能器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超聲加工、清洗和焊接等領(lǐng)域，并在不斷擴(kuò)大新的應(yīng)用范圍。為了更好發(fā)揮壓電換能器在大功率下的作用，改善換能器性能，需要從各個方面對大功率壓電換能器進(jìn)行深入的研究。由于換能器工作在大功率狀態(tài)時，其各項指標(biāo)往往與小信號下的測量值有很大不同；同時在大信號激勵下，換能器的介電性、機(jī)電轉(zhuǎn)換與機(jī)械特性都將超出常規(guī)變化范圍，破壞了換能器輸入信號幅度與輸出信號幅度成正比的關(guān)系，即輸出量與輸入量之比不再是常數(shù)，這就是所謂的非

2、線性特征。深入研究換能器的非線性現(xiàn)象，對準(zhǔn)確把握換能器的工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的電聲效率有著重要的意義。然而，由于問題的復(fù)雜性，目前對壓電換能器的非線性尚未有深入的研究與完善的理論。本文以實驗研究為主，對大功率壓電超聲換能器的非線性進(jìn)行了初步研究，以期對實際生產(chǎn)應(yīng)用提供有益幫助。 本文從非線性振動理論出發(fā)，建立了基于非線性壓電方程的換能器彈簧模型，理論上分析了壓電參數(shù)的變化對換能器振動特性的影響。鑒于工作在大功率狀態(tài)下的換能器往往是

3、受到高電壓驅(qū)動，內(nèi)部產(chǎn)生大應(yīng)力，同時伴隨著不同程度的溫升，本文分別研究了溫度、應(yīng)力和驅(qū)動電壓對換能器特性指標(biāo)的影響，并對常用超聲清洗系統(tǒng)中的非線性現(xiàn)象進(jìn)行了實驗測量和理論分析。 論文的主要創(chuàng)新點及研究結(jié)果如下： (1)大功率情況下，由于壓電參數(shù)的變化使得換能器類似一個軟彈簧系統(tǒng)而產(chǎn)生非線性振動，從而出現(xiàn)跳躍、滯后、共振頻率漂移、振幅多頻、飽和等現(xiàn)象。基于非線性壓電方程可以求解和模擬換能器的非線性振動問題。 (2)

4、對換能器的溫度特性進(jìn)行了理論和實驗研究。發(fā)現(xiàn)溫度對換能器的各指標(biāo)有明顯影響。對于換能器在諧振頻率附近等效電路中的各個參數(shù)來說，隨著溫度的升高，會出現(xiàn)靜態(tài)電容增大、動態(tài)電容增大、動態(tài)電感減小、動態(tài)電阻增大等變化。另外，溫度升高會使換能器的諧振頻率降低、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)明顯下降。 (3)實際測量了預(yù)應(yīng)力對換能器幾個重要指標(biāo)的影響。實驗結(jié)果表明，換能器的諧振頻率隨預(yù)應(yīng)力的增大而有幅度很小的升高；預(yù)應(yīng)力可以改變換能器的動態(tài)電阻的大小，當(dāng)預(yù)應(yīng)

5、力達(dá)到合理值時換能器的動態(tài)電阻最?。混o態(tài)電容隨預(yù)應(yīng)力的增大而增大。 (4)對大功率超聲換能器振動系統(tǒng)來講，非線性主要來自兩個方面。一是電路部分的非線性，主要是指匹配電路以及發(fā)生器中的變壓器等元件由于存在電磁損耗和磁飽和性，導(dǎo)致大功率下?lián)Q能器兩端的電壓不能隨發(fā)生器輸出電壓的增加而線性增加：二是換能器本身的非線性振動，主要原因是大功率下壓電參數(shù)的變化。換能器非線性的總效應(yīng)是激勵電壓與振速之間不成線性關(guān)系。 (5)通過實驗研究