超声波换能器原理老化与不老化效果哪个好

2.3.1.2超声波传感器原理;接收超声波的装置叫做超声波传感器,习惯上称为超声;在超声领域,压电超声换能器是应用最为广泛的一种声;1、机电转换效率高,一般可以达到80%左右;;2、容易成型,可以加工成各种形状,如圆盘、圆环、;3、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换;4、造价低廉,不易老化,机电参数的时间和温度稳定;2.3.1.3超声探头的选择原则
2.3.1.2超声波传感器原理
接收超声波的装置叫做超声波传感器,习惯上称为超声波换能器,或超声波探头。超声波探头常用的材料是压电晶体或压电陶瓷,这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应将接收的超声波振动转换成电信号。也有使用导磁材料制作的超声波探头,它是利用导磁材料的压磁效应将接收的超声波振动转换成电信号。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等,而以压电式最为常用。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩,在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷,这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路,最后记录或显示出来。
在超声领域,压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转化元件,压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质,如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等,将电信号转换成声信号,或将声信号转换成电信号,从而实现能量的转换。应用较多的压电材料主要有五大类,即压电单晶体、压电多晶体(压电陶瓷)、压电高分子聚合物、压电复合材料以及压电半导体。压电陶瓷是目前超声研究及应用中极为常用的材料。其优点在于以下几个方面[9]:
1、机电转换效率高,一般可以达到80%左右;
2、容易成型,可以加工成各种形状,如圆盘、圆环、圆筒、矩形以及球形等;
3、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器,如发射型、接收型以及收发两用型;
4、造价低廉,不易老化,机电参数的时间和温度稳定性好,易于推广应用。
2.3.1.3超声探头的选择原则
在超声检测中,传感器的种类很多,性能各异,因此,须根据检测对象,合理的选择传感器。传感器的选择主要是对晶片尺寸、角度、频率等几个方面选择。
1)传感器晶片尺寸大时,其覆盖范围大,晶片小时,覆盖范围小。角度的选择应尽可能使其便于接受超声波,就检测灵敏度而言,如果忽略超声波在材料中的衰减,灵敏度随被测物到传感器距离的增大而降低。另外探头型式的选择也要视具体情况而定,选择直探头或斜探头主要取决于待测设备缺陷的部位及方位。
2)压电晶体的固有机械振动频率取决于传感器的检测频带,并等于转换出的电信号的频率。
综合以上因素,本文选用的超声波传感器的中心频带最大宽度80kHz~150kHz。
2.3.2放大电路
本设计中的放大电路共有两级组成,第一级为前置级,主要作用完成阻抗匹配,由两级放大器级联组成,第二级为输出放大级,主要作用是使输出的模拟信号满足AD转换器的输入要求。
1. 放大电路的要求
? 在微弱信号放大时应尽量减小放大电路的噪声,不能让噪声将有用信号
? 要保证采样电路能够获得足够频宽的信号,通常放大器带宽要比有用信
号的最高频率大十倍以上。
2. 放大电路的选择
前置放大电路的选择要求:
前置放大是超声波信号数据采集的关键环节,由于超声波传感器得到的超声信号十分微弱,噪声背景强且信号源阻抗较大,为了适应后面采集电路的电压要求,须经过放大电路将超声波传感器的输出信号进行放大,加之电极引入的极化电压差值较大(比信号差值幅度大几百倍),因此,除了要求高的安全性外,通常还要求前置放大器具有以下性能:
1)放大倍数
超声波传感器在检测电气设备或电力电缆局部放电时,一般来说,所检测到的脉 冲信号是很微弱的,约为mV级。为了便于观察和读数,必须将被测信号经放大器放大后才能满足后续电路AD转换器的要求。
2)高分辨率
通常测量电路的灵敏度取决于前置放大电路的灵敏度,测量电路的分辨率取决于前置放大电路的噪音水平。由于信号源属于弱信号,这时噪声干扰不仅会影响有用信号,严重时还会淹没有用信号,使测量回路的灵敏度大为降低。
3)稳定的线性度
因为前置级的输入电压在一定范围内变化,所以要求在整个测量范围内放大
电路有较稳定的放大倍数。
4)较宽的频带
为了不失真地放大电流传感器的输出信号,要求放大电路的频带宽度与超声波传感器的频宽相匹配,即放大电路的频宽要大于超声波传感器的频宽。
5)稳定的工作性能
要求放大电路受周围工作环境温度等因素的影响较小,有较稳定的工作状态,即每级放大电路的各项指标不变化或变化很小。
6)高共模抑制比、高输入阻抗
由于采集现场存在强烈的电磁场,而且工作环境中不可避免的有干扰,这样就必然有共模信号进入放大电路的输入端。因此在设计放大电路时必须考虑抗干扰能力,所选用的运算放大器必须有高的共模抑制比。如前所述,高输入阻抗主要是为了减小后级电路对前级电路工作性能的影响。
漂移经中间级和功率级放大,会影响记录,因此要求前置放大器因温度引起的零点漂移尽可能小。
若电放大器本身噪声较高,可能会将有用的微弱信号淹没。放大器输入噪声在μV级。
输出级放大电路的选择要求:
输出放大电路的作用是把经过带通滤波器输出的单边信号转换为AD转换器所需要的差分信号。
干扰是放大电路中应该考虑的重要因素,它直接影响着放大电路性能的优劣。 一般来说,干扰主要是外界的电磁场,接地线不合理和整流电源的交流纹波等原因造成的。所以在设计中,主要从以下几个方面来抑制干扰:
1)合理布局。放大电路的输入线与输出线,交流电源线要分开走线,尽量交叉布线,不要平行走线。同时布线要紧骤,以减少干扰。
2)并联去耦电容。为了减少因直流电源电压波动引起的干扰,在电源引脚和地端加一电容,防止高频干扰。
3)屏蔽。在放大电路外加一个金属屏蔽盒,并良好接地,能有效的屏蔽外界产生的静电场和磁场干扰。
2.3.3 滤波器电路的作用
滤波电路在这里的作用有两个:
1.滤除干扰信号。传感器在现场采集的信号不可避免地要受到来自外界的电磁干扰信号的影响,而传感器和放大电路本身也可能产生一些噪声信号,严重时待测信号将被淹没。若直接将信号输入采样保持器,将使采样得到的数据出现误差,严重时甚至于得不出正确的结论。为此我们需要对采集的信号进行滤波处理,抑制杂散干扰信号,提高系统的信噪比。
2.避免采样电路发生混叠现象。我们知道采样速率越高,采样点越多,采得的数据复原后的信号就越接近真实的模拟信号。但是采样速率不可能达到无限大,同样采样速率也不能太小,否则会导致信号关键信息的丢失;那么对采样速率有什么要求呢?假设以采样速率fs对带宽为fa的模拟信号进行采样,由香农采样定理和奈氏准则可知为了避免信息损失,采样速率必须满足fs&2fa。简单地说,采样频率至少是信号带宽的两倍,否则与信号有关的信息就会丢失。由于实际滤波特性不可能是完美的,而且,系统的动态范围与滤波器的特性和采样速率之间关系非常密切,因此,如何选择合理的动态范围、采样速率以及滤波器的参数是设计高速ADC系统的主要问题之一。
2.3.4触发电路的作用及其实现[10][11]
2.3.4.1触发电路的作用:采样触发电路是把信号经过放大、整流、滤波、AD转换后送到单片机中,单片机将该信号与设定的阈值进行比较,如果信号的值大于设定的阈值电压,则认为存在局部放电现象,单片机就会触发高速采样电路,对局部放电信号进行高速数据采集和存储,反之,如果采样信号的值小于我们设定的阈值电压,则认为电路中不存在局部放电现象,单片机不会触发采样电路,高速采集模块就不会进行数据采集和存储。
2.3.4.2触发电路实现的软件设计:
被放大的信号从Vin端输入,经电容滤波后再经过二极管1V2整流,再经过电容C和电阻R滤波后加到串行AD的模拟电压输入端。单片机的P2.5,P2.6,P2.7实现对TLC549的读取。如图2.6示:
TLC549芯片简介:
●电源电压:6.5V;
●输入电压范围:0.3V~VCC+0.3V;
●输出电压范围:0.3V~VCC+0.3V;
●峰值输入电流(任一输入端):±10mA;
●总峰值输入电流(所有输入端):±30mA;
●工作温度:TLC549:0℃~70℃
TLC549是以八位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOS A/D转换器。其设计能通过三态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。TLC549仅用输入/输出时钟(CLK)和芯片选择(CS)输入做数据控制。TLC549的最高CLK输入频率为1.1MHz。
TLC549的内部提供了片内系统时钟,它通常工作在4MHz且不需要外部元件。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出的时序,并允许TLC549像许多软件和硬件要求的那样工作。CLK和内部系统时钟一起,可以实现高速数据传送以及对TLC549为每秒40000次的转换。
内部时钟和CLK独立使用,且不需要任何特定的速度或二者之间的相位关系。这种独立性简化了硬件和软件控制任务。由于这种独立性和系统时钟的内部产生,控制硬件和软件只需关心利用I/O时钟读出先前转换结果和启动转换。
TLC549的其它特点包括通用控制逻辑,可自动工作或在微处理器控制下工作,且有片内采样保持电路,具有差分高阻抗基准电压输入端,易于实现定标以及与逻辑电路和电源噪声的隔离;整个开关电容逐次逼近转换器的设计,允许
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超声波清洗机维修知识
超声波清洗机维修知识
作者:深圳市三达超声设备科技有限公司& 分类: 专业知识& 发布: 05:36:40& 阅读:(805)
摘要:超声波清洗机换能器经常出现的问题
&一、超声波清洗机换能器经常出现的问题有:
  超声波换能器受潮。一般用兆欧表检查和换能器相连接的插头,检查换能器正负极间的绝缘电阻值就可以判断。一般要求绝缘电阻大于30兆欧以上。如果达不到这个绝缘电阻值,很可能是换能器受潮。维修方法是把换能器整体(不包括喷塑外壳)放进烘箱设定100℃左右,烘干三小时或者使用电吹风去潮至阻值正常为止。
&&&&&&& 换能器振子打火,陶瓷材料碎裂。维修时可以用肉眼和兆欧表结合检查。一般作为应急处理的措施,可以把个别损坏的换能器断开,不会影响到别的换能器正常使用。
&&&&&&& 换能器脱胶。我们知道大多数厂家采用胶粘的方式固定换能器,但超声波清洗机的长期使用后由于振动会出现脱胶现象。也有厂家采用胶结加螺钉紧固的方式,一般情况下不会出现脱胶,由于螺钉的作用,振子脱胶后不会从振动面上落下,一般的判断方法是用手轻摇振子的尾部,仔细观察振动面的胶水情况做出判断。
  一般振子出现脱胶以后超声波电源输出的功率正常,但是由于振子与振动面连接不好,振动面的振动效果不好,长时间后由于能量无法释放出去,很可能会烧坏振子。振子脱胶对于用户来说维修起来是比较麻烦的,一般情况只能送回生产厂家进行维修处理。避免振子脱胶最有效的方法是平时使用中注意不撞击振动面。
  振动面穿孔。一般超声波换能器满负荷使用数年以后可能会出现振动面穿孔的情况,这是由于振动面的不锈钢板长时间高频振动疲劳所致,振动面穿孔说明换能器的使用寿命已经到了,维修上一般只能更换。
  二、超声波清洗机发生器经常出现的问题有:
  超声波清洗机打开电源开关,指示灯不亮。这种情况维修时必须检查电源开关是否完好,漏电开关是否合上。如果开关完好再检查保险丝是否过载熔断,基本上可以解决。
&&&&&&& 超声波清洗机打开电源开关后,指示灯亮,但没有超声波输出。这种情况比较复杂,维修时首先检查换能器与超声波功率板的连接插头是否有松脱,然后检查保险丝是否熔断。如果一切正常有可能是超声功率发生器内部故障,用万用表打电源线明线,火线是否都通。在排除了发生器故障后再检查超声波换能器是否烧坏,是否需要更换。
&&&&&&& 超声波清洗机直流保险丝熔断。可能是整流桥堆或功率管烧毁,也可能是换能器老化,电流不稳,这些都可能造成电源发生器故障。维修时要多加注意。
  超声波清洗机打开电源开关后,机器有超声波输出,但清洗效果不如以前理想。这种情况大多是使用不当造成,比如,清洗槽内清洗液液位不当,过高或者过低;超声波频率协调没有调好;清洗槽内液体温度过高或过低;清洗液选用不当或者用量不够。当然,也不排除换能器脱胶后使大部分超声波能量无法传递到清洗液中,这种情况应当及时送回厂家维修,以免烧坏振子。
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换能器,又称振子,是由压电陶瓷的压电效应实现电能与机械能(声波振动)的相互转换,并通过声阻抗匹配的前后辐射盖块进行放大的器件。超声清洗是通过换能器产生的超声波振动,在水中发生空化效应所产生的瞬间高压空泡冲击被清洗物而达到良好的清洗效果。超声波清洗换能器一般采用喇叭型和圆柱型复合阵子结构,它由前、后金属盖板、压电陶瓷晶片、预应力螺杆、电极片、和绝缘套管组成。施加合适的预应力,换能器在大功率、高振幅的条件下具有良好的机电转换效率。超声波清洗换能器属连续工作的中功率型换能器,一般以连续工作的平均值来计算与恒量其功率大小。
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