一种夹心式压电换能器超声振子特性测试装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，属于超声振子实验和应用领域。该装置包括：用于夹紧超声振子法兰(8)和给工具头(17)压力的加载机构；便于加载和测力的导向机构；测力机构；用于驱动振子的超声组件；振子装夹机构。夹紧机构的夹紧力和加载机构的载荷由气缸(4)提供，力由气源三联件(6)调控，工具头(17)的液体负载由它浸入水槽(24)液体中的深度来调控。利用此装置便可测量出振子法兰(8)夹紧力变化时、工具头(17)固体载荷变化时和工具头液体载荷变化时超声振子(15)的各项特性参数，从而评价该振子设计的合理性并指导其应用。
【专利说明】一种夹心式压电换能器超声振子特性测试装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声振子特性测试，具体地说本发明涉及超声振子的振动模态、温度、振幅、阻抗及谐振频率等参数的测量。
【背景技术】
[0002]近年来在功率超声的许多应用中，如超声清洗、超声加工和超声焊接等，越来越广泛地采用夹心式压电换能器。主要原因在于此类换能器的电声效率高、功率容量大以及换能器结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计，使用者可以针对不同的应用，对换能器的不同参数，如电声效率、输入阻抗、振速比以及频带宽度等分别进行优化设计。
[0003]夹心式压电超声换能器主要由三部分组成，即压电陶瓷元件、金属后盖板和金属前盖板。夹心式压电换能器超声振动系统则是在换能器的基础上加上扩大振幅的变幅杆和与工件接触的工具头。超声振子的主要参数为振动振幅、谐振频率和阻抗特性，后两个因素对振子的振幅影响很大。另外，振动过程中工具头载荷的变化、振子法兰夹持状态的不同、振子的温度等因素都对换能器的谐振频率、阻抗特性以及振动模态有一定的影响，研究这些因素对超声振子的各项特性的影响规律对于更好地应用振子很有意义。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一个超声振子性能的检测平台，利用该装置能够使振子在可变振子法兰夹紧力、可变工具头固体载荷和可变工具头液体载荷三种情况下振动，同时能测量出三种情况下超声振子的振动模态、工具头振幅、谐振频率、阻抗特性、工具头温度、以及工具头在水中所产生的声强大小等，从而对装配后的振子是否达到设计要求进行评价，根据所得的振子综合性能合理地使用振子，使超声振动系统达到更高的效率。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下:
[0006]本发明的振子特性测试装置包括加载机构、导向机构、测力机构、超声组件、振子装夹机构以及各种振子特性测量仪器仪表。
[0007]加载机构主要由气源三联件、手动换向阀、节流阀和气缸组成，换向阀和气缸直接安装在平台底板上，气源三联件悬挂在L形支座的左平面上，L形支座右平面可用于安装水平支架，振子装在支架上可实现振子浸入水槽液体中，通过改变振子浸入液体的高度，测量振子在不同液体负载中振动的声强。
[0008]导向机构包括传感器下垫的平滑垫片，安装平滑垫片和套筒的套筒支座，安装套筒支座底板的法兰式滑块和直线导轨，直线导轨用螺栓固定在气缸有杆腔右侧的平台底板上，使用气缸活塞杆推动传感器连同套筒水平向右运动；套筒支座用螺栓与传感器右端面联接，使传感器右端面与套筒支座贴紧。
[0009]测力机构由称重传感器和显示仪表组成，实现工具头载荷大小和超声振子的法兰夹紧力的测量。称重传感器左侧通过螺纹转换接头与气缸活塞杆相连，右侧与安装套筒的套筒支座面接触，同时中心用螺栓固定在套筒支座上。传感器底部垫上平滑垫片，该垫片用螺栓锁紧在套筒支座上。
[0010]超声组件由超声振子、超声电源组成，超声振子由换能器、变幅杆和工具头组成。换能器由前金属盖板、电极片、压电陶瓷片、后金属盖板组成，超声电源输出超声频率(16kHz以上)的电压通过电极片作用在压电陶瓷上。压电陶瓷的逆压电效应使换能器产生超声频率的振动，变幅杆的聚能作用使工具头端面的振幅扩大。当测量超声振子空载而振子法兰夹紧力可变时，振子轴线与支座法兰重合，工具头端面向右，套筒向右压紧振子法兰；当测量超声振子可变工具头固体载荷时，超声振子用螺栓固定在支座法兰上，工具头端面向左与套筒内的柱形工件接触；当测量超声振子可变工具头液体载荷时，超声振子竖直安装在水平支架上，工具头在下浸入水槽液体中。
[0011]振子装夹机构由支座法兰、振子支座和水平支架组成，支座法兰用螺栓安装在振子支座上，其上圆周分布着与振子法兰上通孔对应的通孔，超声振子法兰可通过套筒压紧或用螺栓固定在支座法兰上；用于竖直安装超声振子的水平支架安装在L形支座右平面上。
[0012]测量仪器仪表主要包括阻抗分析仪、称重传感器及其显视表、数显千分表、红外温度测量仪和超声声强测量仪。
[0013]本发明与现有技术相比，具有如下特点:
[0014]1.在一个平台上实现包括可变振子法兰夹紧力、可变工具头固体载荷和可变工具头液体载荷三种不同情况下振子特性的测量；
[0015]2.巧妙地利用称重传感器测量工具头所受负载和套筒与振子支架对振子法兰的夹紧力，使测力简单、可靠，以直线导轨作为导向机构的主要元件，使施力均匀；
[0016]3.测量所得性能参数多，能较全面的反映出振子的实际特性和设计合理性，为应用振子提供指导作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的夹心式压电换能器超声振子性能测试装置的装配图。图2是本发明的装置装配后的轴测图。
[0018]图中1.平台底板，2.气缸LB脚架，3.手动换向阀，4.气缸，5.节流阀，6.气源三联件，7.L形支座，8.振子法兰，9.水平支架10.螺纹转换接头，11.套筒支座，12.称重传感器，13.螺栓，14.超声振子，15.换能器，16.振子支座，17.工具头，18.支座法兰，19.套筒，20.滑块，21.几字形板，22.平滑垫片，23.直线导轨，24.水槽。
【具体实施方式】
[0019]如图1和图2所示装置，具体结构如下:
[0020]气缸⑷通过LB脚架⑵水平安装在平台底板⑴上，活塞杆向右伸出与螺纹装换接头(10)联接，转换接头右端与称重中传感器(12)联接，传感器底部垫上平滑垫片
(22)，垫片对传感器受力变形影响很小，平滑垫片用螺钉安装在套筒支座(11)上；为保证传感器右端面与套筒支座紧密接触，用一个螺栓(13)将传感器与套筒支座连接，套筒支座上安装两个几字形板(21)防止力过大时传感器绕其轴线转动；套筒支座和套筒(19)用四个螺栓联接，为保证套筒水平运动，将套筒支座安装在直线导轨(23)的法兰式滑块(20)上，直线导轨与平台底板(I)用螺栓联接；振子支架(16)安装在平台底板上，其上用螺栓联接一个振子法兰(18)，用来水平安装超声振子(14)。
[0021]为更好的得到超声振子(14)的各项参数，将振子性能测试分为如下三种情况:
[0022]1.可变振子法兰⑶夹紧力
[0023]超声振子(14)水平放置，换能器(15)在左，工具头(17)在右。它的法兰右端面与支座法兰(18)依靠气缸(4)给套筒(19)向右的力贴紧，通过调整气源三联件￠)的减压阀使气缸输出力可变，实现振子法兰夹紧力的变化，称重传感器(12)的显示表显示夹紧力的大小。此时，振子(14)空载，在某一夹紧力下，接通超声电源，用阻抗分析仪测量振子的谐振频率、机电耦合系数等参数，用数显千分表测量工具头振幅。整理数据得到法兰夹紧力大小对振子特性的影响规律。
[0024]2.可变工具头(17)固体载荷
[0025]超声振子(14)左右翻转180°水平放置，换能器(15)在右，工具头(17)在左，工具头端面与放置在套筒(19)内的柱形工件接触，振子法兰与振子支座上的支座法兰(18)用螺栓和螺母牢固连接。同样，调整减压阀改变气缸(4)向右的输出力从而改变工具头
(17)的载荷，用传感器(12)测出载荷的大小。在特定的载荷下，接通超声电源，振子开始振动。通过阻抗分析仪测量振子的谐振频率和机电耦合系数等参数，用千分表测量振子的振幅，用红外温度测量仪测量振子温度。整理数据，从而得到不同固体载荷对振子振动特性的影响规律。
[0026]3.可变工具头(17)液体阻抗
[0027]超声振子(14)竖直安装在水平支架(9)上，工具头(15)向下穿过水平支架的中心孔到达水槽(24)液面下。接通超声电源，超声振子的工具头(15)的振动在液体中产生空化作用，用声强测量仪测出工具头周围液体声强，从而得到空化作用的强度，用阻抗分析仪得出振子的谐振频率。改变液面深度可以测出不同液体阻抗下的空化作用强弱和谐振频率，得到液体阻抗大小对振子特性的影响规律。
【权利要求】
1.一种夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，其特征在于，包括:加载机构，用于夹紧振子法兰(8)和施力给工具头(17);导向机构，方便对超声振子(14)加载和测量载荷大小；测力机构，用于测量载荷大小；振子装夹机构，用于安装和夹紧超声振子；仪器仪表，用于测量超声振子振动时的各项参数。
2.根据权利要求1所述的夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，其特征在于，所述加载机构包括:气源三联件￠)、手动换向阀(3)、节流阀(5)、和气缸(4)，手动换向阀(3)和气缸(4)直接安装在平台底板(I)上，气源三联件(6)悬挂在L形支座(7)的左平面上，L形支座(7)右平面可用于安装水平支架(9)，超声振子装在水平支架(9)上可实现超声振子浸入水槽(24)液体中。
3.根据权利要求1所述的夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，其特征在于，所述导向机构包括:传感器(12)下垫的平滑垫片(22)，安装平滑垫片和套筒(19)的套筒支座(11)，安装套筒支座底板的法兰式滑块(20)和直线导轨(23);直线导轨用螺栓固定在气缸(4)有杆腔右侧的平台底板(I)上，使气缸(4)活塞杆推动传感器(12)连同套筒(19)水平向右运动；套筒支座(11)中心用螺栓与传感器(12)联接，使传感器右端面与套筒支座(11)贴紧。
4.根据权利要求1所述的夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，其特征在于，所述测力机构包括:称重传感器(12)及其显示表；称重传感器(12)左侧通过螺纹转换接头(10)与气缸(4)活塞杆相连，右侧与套筒支座(11)面接触，同时中心用螺栓(13)固定在套筒支座(11)上，称重传感器(12)底部垫上平滑垫片(22)，该垫片用螺栓锁紧在套筒支座(11)上。
5.根据权利要求1所述的夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，其特征在于，所述超声组件包括:超声振子(14)和超声电源，当在超声振子(14)空载而振子法兰(8)夹紧力大小可变情形下测量各项参数时，振子轴线与支座法兰(18)重合，工具头(17)端面向右，套筒(19)向右压紧振子法兰(8);当在超声振子(14)工具头(17)固体载荷可变情形下测量时，超声振子用螺栓固定在支座法兰(18)上，工具头(17)端面向左与套筒(19)内的柱形工件接触；当在超声振子(14)工具头(17)液体载荷可变情形下测量时，超声振子(14)竖直安装在水平支架(9)上，工具头(17)向下浸入水槽(24)液体中。
6.根据权利要求1所述的夹心式压电换能器超声振子特性测试装置，其特征在于，所述振子装夹机构包括:支座法兰(18)、振子支座(16)、套筒(19)和水平支架(9)，支座法兰(18)用螺栓安装在振子支座(16)上，其上圆周分布着与振子法兰(8)上通孔对应的通孔，超声振子法兰(8)可通过套筒(19)压紧或用螺栓固定在支座法兰(18)上；用于竖直安装超声振子的水平支架(9)安装在L形支座(7)右平面上。
【文档编号】G01M13/00GK104198166SQ201410345691
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】唐勇军, 温凯林, 唐岳, 许俊, 杨军 申请人:广东工业大学