超声水表换能器性能试验方法的探索

压电换能器是超声水表产品中的关键核心部件,其性能稳定性和可靠性直接影响超声水表的计量性能稳定性和可靠性。分析了超声水表换能器的工作原理、技术性能等,研究、分析了换能器综合性能指标及其抗环境影响能力的试验方法,并提供了换能器关键技术指标信号输出幅值的测量方法,以及用于测量满足额定工作条件的水温、水压试验装置;为换能器的筛选、质量控制等提供了有效的方法和手段,并在此研究成果的基础上,形成了超声水表换能器的产品标准征求意见稿。     

超声换能器过固有谐振区匹配理论

超声压电换能器是一个能量转换系统,在超声波振动加工中将超声波电源输出的电能转换为机械振动,由于超声压电换能器是一个容性负载,为保证超声电源输出的电能有效地转换为超声压电换能器的机械振动,需要在超声电源和超声压电换能器之间加一个适当大小的电感进行匹配,但超声压电换能器又是一个强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗特性以及机械振动特性差别显著,因此如何将超声压电换能器匹配在一个恰当的工作频率,是提高振动加工质量的关键.通过正确选取超声压电换能器的等效电路模型,并对由此推导出的阻抗圆进行深入分析、研究,可以得出:如将换能器工作频率匹配在大于其内部固有谐振频率的某一频段,可以使换能器振幅最大,振动波形质量也最好,是换能器的最佳工作频段,从而提出超声压电换能器"过固有谐振区"匹配理论.试验结果证明该理论正确.     

超声水表换能器时间与温度影响试验研究

对超声水表换能器开展了长时间稳定性试验和介质水温改变及高低温老化等试验。试验结果表明,只要换能器"机-电-声"转换与粘结材料选用合理,设计与工艺满足使用要求,可以保证超声水表换能器在额定温度(或在短时极限温度)条件下和规定使用期限内稳定工作。试验工作采用PZT-5压电陶瓷厚度振动模式,分别以工程塑料阻抗匹配材料(无背衬)和铜合金阻抗匹配材料(有背衬)构成的换能器为研究对象,得到的结论是选用工程塑料阻抗匹配材料的换能器综合性能比较稳定可靠。     

超声水表声道布置与权重系数设置方法的讨论

多声道超声水表可以削弱由管道内流场畸变和管壁粗糙度变化给测量结果带来的影响。合理设置超声换能器在管道内的位置以及选择相应声道的权重系数，是保证多声道超声水表进行准确测量的重要设计工作。对多参数超声水表工作原理、计算公式、线-面平均流速之间关系以及校准方法等进行分析与梳理，以期为设计、制造、使用多参数超声水表的相关人员提供参考和帮助。     

路面振动与冲击对超声水表测量影响的分析

大口径超声水表通常在马路附近的窨井下工作,其测量准确度非常容易受到路面车辆及机械设施运行的影响。通过理论分析,阐明了路面振动和冲击对超声水表及换能器的影响机理和途径。采用两级被动隔振方法,优化嵌入式软件算法,提高超声换能器接收灵敏度和信噪比等手段,可有效削弱路面振动和冲击对超声水表使用的影响。     

基于频率灵敏度方法的超声键合换能器结构优化

针对超声换能器设计上存在的双共振峰或多共振峰等常见问题,提出了一种基于频率灵敏度方法的换能器结构优化设计方法。以芯片键合超声换能器为例,采用模态频率灵敏度的方法,通过最小量地修正变幅杆的直径,实现轴向工作频率与其他非工作频率的分离,有效地抑制了工作频率附近杂散的非工作模态对自身模态的干扰,确保在工作状态下换能器被驱动在单一的工作频率,从而提高了超声能量输出的稳定性。     

基于Workbench的夹心式压电超声换能器的尺寸优化

为了使设计和制作的夹心式压电超声换能器的谐振频率和工作频率趋于一致,运用Solid Works与Workbench软件实现换能器建模与仿真的同步协同,对不同后端盖尺寸的换能器进行模态分析。结果表明,随着后端盖尺寸的变化,换能器的谐振频率随之变化。在设计和制作的换能器的谐振频率与工作频率不一致时,可以通过改变后端盖的尺寸使换能器的谐振频率和工作频率趋于一致。     

聚合物微器件压力自适应超声波精密联接

将超声波联接技术应用于聚合物微器件的联接,搭建了超声波精密联接系统。为了保证微器件在精密联接中的形状精度,选用工作频率为60 kHz的超声换能器及驱动电源为微器件提供高频、低振幅的超声波振动;以高细分步进电机驱动直线导轨控制超声波工具头的纵向移动,精确控制超声波工具头的位置,并结合力传感器实现了超声波联接过程中聚合物材料力学性能的实时检测。针对联接表面特性差异引起的联接质量不一致问题,提出了基于材料力学性能反馈的压力自适应联接方法,可以对不同零件提供自适应的超声波能量。应用该系统对PMMA材料微器件进行了联接实验,实验结果表明,该方法大幅提高了超声波联接的稳定性,实现了聚合物微器件的超声波精密联接。     

超声水流量检测换能器性能指标及试验装置研究

文章研究了超声水流量检测换能器的工作原理和结构,从满足超声水表和超声流量计使用特性要求的角度提出了评价超声换能器性能的综合指标以及环境和介质影响量等指标,设计了配套的全性能台式试验装置。     

超声水表流量传感器参数设计分析

介绍超声水表时间差测量法的原理,然后根据其原理及流体特性分析了超声水表流量传感器的参数(主要是管段直径D、超声波传播方向与流体轴线间的夹角φ)对超声水表计量性能的影响,从而得到了单声道超声水表的流量传感器参数设计的三个简单、准确、有效的设计准则,可大大缩短超声水表设计周期,为今后更好地研究超声水表提供了依据。     

基于力学状态反馈的聚合物微器件超声波精密联接系统

针对聚合物微器件的联接搭建了超声波精密联接系统。该系统选用工作频率为60kHz的超声换能器提供高频、低振幅超声波振动,以降低振动对微结构的影响。应用高细分步进电机及直线导轨驱动超声波工具头的纵向移动,并为联接提供压力。提出了基于力学状态反馈的超声波精密联接流程,联接过程中,联接界面的聚合物软化后产生压力跳变,以该信号切断超声波振动,实现了联接能量的自适应精确控制。应用虚拟仪器技术建立了控制系统,设计了基于力学状态反馈的超声波精密联接流程并进行了PMMA微器件的联接实验,对该方法的作用机制进行了分析,得到了对于该种材料及尺寸零件的最佳联接参数。     

水中探测超声换能器研究

讨论了水中近距控测装置的超声换能器设计,选择厚度振动模式的换能器,按品质因素和其方向性确定换能器的最佳工作频率与圆片厚度。通过水池实验,表明这种应用于水中近距探测的换能器具有工作可靠、方向性好、结构简单、成本低等特点。     

在线油液磨粒检测聚焦超声换能器声场特性分析

在线超声磨粒检测结果与超声换能器声场特性密切相关,在线油液超声磨粒传感器也是基于换能器声场特性设计的,运用数值模拟方法可以有效地分析超声波声场的特性。首先从理论方面分析了在线超声磨粒检测方法;然后利用时域有限差分法求解KZK方程对超声换能器声场进行仿真;最后搭建润滑油超声波声场分布测量实验系统实际测量超声波声场特性。仿真与实验结果表明:利用时域有限差分法求解KZK方程能够很好的模拟聚焦超声换能器在润滑油中的声场分布情况,聚焦超声换能器的焦斑区域呈椭圆形,长轴约为4 mm,短轴约为0.4 mm,仿真结果与实验结果具有较好的一致性。研究结果为下一步的超声磨粒传感器设计奠定了基础。     

微功耗水流量滤波算法研究

为解决超声波水流量信号的波动较大以及超声水表功耗较大的问题,提出基于微功耗的水流量滤波算法,包括信号滤波处理、校正、积算等算法。为了验证该算法的可行性,对超声水表的原始采样数据进行处理,通过处理前后的数据对比可看出,该算法在滤除随机噪音,提高小流量信噪比方面具有明显效果。该算法不仅有效解决超声波水表流量测量精度,还可以应用于其他多种模拟信号的处理,比如温度信号、压力信号等。     

插入式超声波流量计在供水大口径管道中的应用

在供水系统计量中,工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题,机械式水表使用较多,大管径流量的水表存在误差较大,计量不准,无校验手段。本文探讨在供水大口径管道中应用超声波流量计,并对该性能进行分析对比,提高供水计量的准确性。分别选用MF-G2和TDS-100型插入式超声波流量计,在现场应用,效果较好,精确度达到1%。     

高频超声换能器技术研究进展与展望

高频超声是超声技术前沿研究领域,可以提供更高的空间分辨率、更精准的检测诊断信息,在生物医学临床与基础研究、先进装备制造无损检测等领域具有重要的应用价值,但其核心器件高频超声换能器的研制一直是高频超声技术发展的瓶颈。首先,介绍了超声换能器基本理论;然后,论述了高频超声换能器技术发展现状、面临技术难题及解决途径,并结合高频超声换能器研制实例予以说明;最后,对高频超声换能器技术进行了讨论与展望。     

功率超声珩磨铸铁缸体的试验研究

功率超声珩磨装置功率超声珩磨装置就是将超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转换为超声频纵向机械振动,变幅杆将换能器的纵向振动扩大后传给弯曲振动圆盘,挠性杆再将弯曲振动变成纵向振动后传给油石座,油石座带动与其烧结在一起的油石进行纵向振动,如图1所示。我们进行了直径47mm立式功率超声珩磨装置的设计及制造、装配,成功地完成了47mm孔径缸套珩磨系统,实际加工后,考核其尺寸精度均可达IT6级,表面粗糙度可达Ra0.1μm,圆度、圆柱度可达0.007mm,与国外同类装置相比,该超声波珩磨装置具有如下优点:①由于珩磨杆不振动,可节省能量…     

宽带阻抗匹配变压器的研究

采用传输线变压器来实现超声换能器与超声信号源之间的阻抗匹配.以500kHz～2MHz范围内的超声换能器的阻抗匹配变压器的设计为例,具体给出了确定传输线变压器特性阻抗、线长、磁心、导线型号和匝数的方法.由于传输线变压器具有通频带宽、易于制作的特点,在功率超声领域将有可能得到广泛的应用.     

面向超磁致伸缩换能器的超声电源设计与性能分析

面向超磁致伸缩换能器的超声电源相对于传统的压电换能器超声电源存在一定的区别,但是目前这方面的相关研究报道较少。本研究建立了带有无线能量传输装置的等效电路模型,设计了一种面向超磁致伸缩换能器的超声电源。频率源基于直接数字合成(DDS)技术并利用全桥开关放大电路进行功率放大,使用相位和有效值(RMS)计算实现频率追踪策略,从而使该电源具备定频信号输出以及实时频率追踪的功能。最后,对超磁致伸缩换能器超声电源的输出性能进行了测试与分析,结果表明,在开环定频驱动功能下可以输出15～50 KHz的超声信号,在闭环追频驱动功能下可以在工作频率点处长时间稳定驱动超磁致伸缩换能器。此外,文章对面向超磁致伸缩换能器的超声电源进行了升级,并进行实验验证该电源可以实现超过1 kW的大功率输出。     

FNA41560智能功率模块在超声波发生器中的应用

针对磨粒流抛光中对超声发生器的功能有特殊要求的问题,专门设计制作了一种超声波发生系统,探讨了超声波发生器的3个主要组成部分即换能器、变幅杆和超声电源,研究了各部分的设计理论和具体参数的选择,指出了利用智能功率模块设计制作的超声发生器,有线路简单、体积小、功能全、成本低、性能好的优势,介绍了以FNA41560为主要功率元器件的超声发生器的设计,包括了主电路拓扑结构、保护、控制策略、阻抗匹配、频率跟踪、换能器、变幅杆等方面的内容,该样机在实际加工中获得了很好的效果。研究结果表明:在低频超声波发生器的领域,功率模块结合微处理器控制技术,有其他电子器件无法比拟的优势。