超声谐振器设计知识库Ultrasonic Resonator Design

电源

目录

  • 插图
    • 图 0. 超声金属焊接过程中的叠堆频率
    • 图 1. 带六片压电陶瓷的 20 kHz 工业换能器（33 模式）
    • 图 2. 20 kHz 换能器的频率响应阻抗图
    • 图 3. 表面污染对焊接功率的影响
    • 图 4. 能量输入对焊接强度的影响

电源是一种电气设备，它将标准的 50 Hz 或 60 Hz 输入电压转换为适合驱动超声换能器的高频输出电压。输出电压的幅值和波形会根据超声应用的要求进行调整。

注 — 本主题讨论电源的一般要求，但不涉及电路的具体细节（调谐电感的要求除外）。

电源的复杂程度

应用的瞬时功率特性可分为四类（通常取决于负载类型），这在一定程度上决定了所需电源的复杂程度 —

  • 恒定功率。在整个负载周期内功率保持恒定。当负载相对恒定时会出现这种情况，例如雾化或空化。
  • 可变但可预测的功率。功率在整个负载周期内变化，但变化方式可预测 — 即各个负载周期之间的功率变化相同。超声嵌件植入就是一个例子。
  • 可变但半可预测的功率。功率在整个负载周期内变化，但变化方式半可预测 — 即总体功率趋势相同，但不同零件之间可能存在一些差异。例如，某些金属焊接零件可能有较厚的氧化层或镀层，需要更长的刮擦时间才能穿透。类似地，某些塑料焊接零件可能有更多的脱模剂。
  • 不可预测的功率。功率可以在较大范围内预测，但瞬时功率无法预测。超声骨切割就是一个例子，其骨骼成分随切割深度变化，而且外科医生的操作方式也各不相同（例如，施加力的变化、刀片的扭转或弯曲、润滑量等）。

谐振类型

电源必须指定工作在串联谐振或并联谐振。（在某些情况下也可能指定中间频率。）这两种谐振各有优点，但在实际中都得到广泛应用。无论选择哪一种，换能器都必须与之兼容（即，为串联谐振设计的换能器无法在并联谐振下正常工作，反之亦然）。

主要要求

在某些情况下，宽带功率放大器可能适合驱动超声叠堆。然而，大多数专用超声电源都配备了某些专门的电路/软件，可以获得更好的性能。

自动调谐

锁定主谐振

所有超声系统都有一个主谐振（期望的工作谐振）。此外还会存在次要（寄生）谐振。电源启动时，必须锁定主谐振并忽略次要谐振。

跟踪主谐振

在超声工作过程中，主谐振的频率可能会发生漂移。

  • 随着叠堆温度升高（由于内部损耗或负载传递的热量），频率可能向下漂移。
  • 由于压电陶瓷的非线性，频率在重功率下可能下降。
  • 频率可能因负载的反作用而漂移。漂移可能是正向的也可能是负向的。例如，图 0 显示了超声金属焊接过程中约 200 Hz 的频率下降（Vlad[1]）。
超声金属焊接过程中的叠堆频率
图 0. 超声金属焊接过程中的叠堆频率

无论原因如何，电源都必须能够自动跟踪这种频率漂移。否则，微小的频率漂移就会导致叠堆输出振幅显著下降。这是因为超声叠堆的带宽通常非常窄。例如，对于图 1 所示的 20 kHz 工业换能器，Culp[0] 通过在驱动源突然断开时测量振幅衰减，确定了约 40 Hz 的开路带宽（即 Q 值约为 500）。在这种情况下，频率只要偏离谐振 20 Hz，就会使换能器的振幅降低 30%，可用输出功率降低 50%（假设电输入恒定）。

当增加其他叠堆部件（增幅杆 + 变幅杆）后，情况会变得更糟（Q 值升高，带宽变窄）。此时频率跟踪变得更加关键。不过要注意，在负载下 Q 值可能会显著下降（即带宽增大），因为能量被传递给了负载。

频率跟踪通常由锁相环（PLL）实现，它将电流与电压之间的相位角维持在恒定值。理想情况下，电流和电压应完全同相，使负载呈现纯电阻特性（即没有电抗分量）。然而，在实际中，这对于高 Q（窄带宽）系统可能无法实现，因为频率的微小变化会导致相位的大幅变化。在这样的系统中，PLL 可能难以维持相位。此时，略微失相的工作方式可以让 PLL 获得更好的性能。

带六片压电陶瓷的 20 kHz 工业超声换能器（33 模式）
图 1. 带六片压电陶瓷的 20 kHz 工业换能器（33 模式）

20 kHz 超声换能器的频率响应阻抗图
图 2. 20 kHz 换能器的频率响应阻抗图

振幅自动调节

大多数应用最好通过控制输出振幅而不是功率来控制。原因是功率是力与速度的乘积（其中速度与输出振幅相关）。因此，一个给定的功率可以通过大力小速度、小力大速度或介于两者之间的组合来实现。尽管所有这些条件都能产生相同的功率，但应用可能只对其中一种响应最好。因此，振幅应被视为独立（受控输入）变量，而功率通常应被视为因变（输出结果）变量。

当叠堆在空气中运行（即空载）时，它会具有给定的输出振幅。这就是规格值。然而在负载下，振幅往往会下降。负载越大，振幅下降越明显。这类似于油门位置固定时驾驶的汽车 — 上坡时车速会降低，坡越陡，车速下降越多。

电源需要某种方法来监测叠堆振幅，然后根据需要调节振幅。这类似于汽车的定速巡航，无论坡度多陡，车速都保持恒定。

调谐电感

超声系统的一个特点是，即使负载是纯电阻性的，频率也会随负载漂移。随着负载增大，串联谐振和并联谐振相互靠近。在某个临界负载下，这两个谐振重合。超过临界负载后，系统不再谐振。

为克服这种情况，必须加入调谐电感（见 Waanders，第 10 页）。对于串联谐振工作方式，调谐电感与压电陶瓷并联（即跨接在陶瓷引线上）。对于并联谐振工作方式，调谐电感与压电陶瓷串联（即串接在其中一组陶瓷引线上）— 见 Lin[1]。该电感的阻抗应等于所有压电陶瓷的合成容抗。

次要要求

许多专用超声电源都配有保护系统的电路/软件。这可能包括接地故障保护、功率过载保护、过压保护、过流保护、压电陶瓷温度过高保护以及频率跳变保护（从主谐振跳变到附近的次要谐振）。

这些电路/软件还可用于监测或控制超声过程。例如，图 3 显示了焊接锂离子电池时不同表面污染水平下的功率曲线（Lee[1]，第 70 页）。通过监测能量（图 3 中功率曲线下的面积），可以判定焊缝质量并剔除有缺陷的焊缝（图 4，Lee[1]，第 74 页）。此外，还可以控制能量输入，以确保焊缝更加一致，而不受表面污染或其他不可控变量等因素的影响。这一过程被称为"能量控制编程"（energy controlled programming），简称 ECP。对于锂离子电池，Lee 将该最小能量设定为 800 焦耳（第 76 页）。

注 — Lee 焊接的是相对较薄的试片（0.4 mm 焊到 1.0 mm 上（第 19 页），以及 0.2 mm 焊到 1.0 mm 上（第 64 页））。对于具有较大横向尺寸的较厚材料，监测或控制金属焊接过程的能力更加困难。见 de Vries[1]，他指出："因此，人们发现，仅仅了解[金属]焊接系统电输入参数的知识，并不能消除[焊接质量]波动和工具粘住这两个关键问题。"（第 4 页）。不过，塑料焊接系统可能更适合这种监测/控制。

 
表面污染对超声焊接功率的影响
图 3. 表面污染对焊接功率的影响

能量输入对超声金属焊接强度的影响
图 4. 能量输入对焊接强度的影响

另见 — Prokic[1]，第 3.0-1 - 3.0-8 页。