ZX70A超声器件的测量参数及扫描图形概况

ZX70A超声器件的测量参数及扫描图形概况和测量参数。众所周知的是对于压电器件,其阻抗特性随频率变化。压电器件的完整描述需要一个非常复杂的电路网络,在大家感兴趣的频带内选择一个相对简单的网络。(包括电感、电阻、电容),可以比较完整地描述压电器件的特性。实践证明用下述网络中包含的电感、电阻、电容来构建该网络,可以较好地再现所需的网络特性。对于一般的压电器件,在远离某一共振频率的频域内没有其他共振。在共振频率附近的频域内,可以通过几个电感器、电阻和电容来模拟器件。ZX70A阻抗分析仪的曲线扫描显示。相应的等效电路如下图所示:

ZX70A

图 1 中(a)为表示压电器件的符号,图(b)为压电器件的等效电路。其中 C0 是静态电容,R1、C1、L1 分别为动态阻抗中的电阻、电容、电感,R0 为材料的绝缘阻抗。在上述等效电路中,由于电路以并联方式表达,则使用导纳来分析是较为方便的,令整个电路的导纳为 Y,并联支路(由 R0,C0 组成,称之为静态导纳)导纳为 Y0,串联支路(由 R1,L1,C1 组成,称为动态导纳)导纳为 Y1。Y= Y0 + Y1 Y0 = 1/R0+1/(j2πfC0), Y1 = 1/{R1+j2πf L1+1/( j2πfC1)}

通过运算可以得出总导纳 Y 和动态导纳 Y1 随频率 f 的变化情况(导纳-频率特性)。Y和 Y1是一个矢量,应将其分解为实部(电导 G)和虚部(电纳 B)方可以图形形式表示。
图 2 中为导纳特性的两种不同表示方法。上半部分为电导/电纳随频率的变化特性图, 黄线表示 B(S)--f 特性图,红线为 G(S)--f 特性图。下半部分为一导纳矢量平面,横坐标表示电导 G(导纳的实部),纵坐标表示电纳 B(导纳的虚部),该图表示随频率变化时,该器件的导纳的变化特性。
当信号频率在谐振频率(串联谐振)附近的范围内发生变化时,矢量 Y1 的轨迹为一圆, 其圆心为(1/2R1,0),半径为 1/2R1。
在谐振频率周围矢量 Y1 的轨迹旋转一周时,矢量 Y0 随频率变化一般较小,可基本看作一常数,因此,把 Y1 的轨迹圆在导纳平面上沿纵轴向上平移。即可得到导纳 Y 随频率变化的轨迹圆,即所谓的导纳圆。
利用该导纳圆图,可以求出压电器件的等效电路和其他一些重要参数。
(1) Fs:机械谐振频率,即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近希望值。 对于清洗机,振子的谐振频率一致性越高越好。对于塑焊机或超声加工,变幅杆或模具设计不合理的情况下,振子的谐振频率会偏离工作点。
(2) Gmax:串联谐振时的电导,振动系统工作时的电导值,它是动态电阻 R1 的倒数。在相同的支撑条件下越大越好,Gmax=1/R1。一般地,对于清洗或焊接振子来说,大约在 50mS~500mS 之间。如果太小的话,一般来说,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) C0:压电器件等效电路中静态支路的电容量,C0=CT-C1(其中:CT 为 1kHz 下的自由电容,C1 为压电器件等效电路中动态支路的电容量)。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。
(4) Qm:机械品质因素,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 以上,太低的话,振子效率低。
对于超声加工来说,振子本身的 Qm 值一般在 500 左右,加上变幅杆之后,一般达到1000 左右,再加上模具,一般达到 1500~3000。太低的话,振动效率低,但是不能太高,因为 Qm 越高,工作带宽越窄,电源难以匹配,电源难以工作在谐振频率点, 设备无法工作。
(5) F2,F1:振子半功率点频率。对于超声加工的整个振动系统(包含变幅杆和模具)来说,F2-F1 要大于 10Hz,  否则频带太窄,电源难以工作在谐振频率点,设备无法工作。 F2-F1 与 Qm 值直接相关,Qm=Fs/(F2-F1)。
(6) Fp:反谐振频率(主要为 C0、L1 产生的谐振),压电振子并联支路的谐振频率,在这个频率下,压电振子的阻抗较大, 导纳最小。
(7) Zmax:反谐振阻抗,正常的情况下,一个换能器的反谐振阻抗都在几十千欧姆以上, 如果反谐振阻抗比较低,往往振子的寿命比较短。
(8) CT:自由电容,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。这个值减去动态电容C1 就可以得到真正的静电容C0,C0 需要用外接电感平衡, C1 在系统工作的时候参与能量转换,不必平衡。
(9) 动态电阻 R1:即为图中压电振子串联支路的电阻。计算公式为:R1=1/D,其中 D为导纳圆的直径。
(10) 动态电感 L1:即为图中压电振子串联支路的电感。计算公式为: L1 =R1 /2p (F 2 - F1),其中 R1 为动态电阻,F1、F2 为半功率点。 
(11) 动态电容 C1:即为图中压电振子串联支路的电容。ZX70A超声器件的测量参数及扫描图形概况测量参数文章来源于ZXP致新精密
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