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超声波换能器阻抗匹配

超声波加工、超声波焊接超声波清洗以及超声波电机等功率超声波应用领域,匹配网络对换能器的高效、稳定的运行起到至关重要的作用,一般而言,超声波换能器匹配主要有三个方面,阻抗变换、调谐、整形滤波。

阻抗变换

通过阻抗变换,将保证换能器最大的输出,根据交流理论,当电源阻抗和负载阻抗相等时,此时负载能够获得最大的功率。由于换能器是具有阻抗模型的特性,通过匹配网络来改变整个超声波发生器电源负载的阻抗特性,选择适当的参数使得负载阻抗与电源阻抗的接近,从而使得超声波能够获得较大的电功率。

调谐

通过换能器电学等效电路及谐振理论可以发现当机械臂处于谐振频率条件下运行时动态电容和动态电感的阻抗之和为零,但是由于静态电容 C0存在,换能器对外表现出容性的状态,如果不进行发生器和换能器之间的调谐会存在比较无功损耗,这样会使得换能器的功率大大地下降,甚至会影响换能器的正常运行。因此有必要对换能器的容性阻抗进行补偿,通常用的方法就是串联或者并联一个电感性元件来补偿换能器的容性阻抗。

整形滤波

对于超声波换能器而言,需要电信号的频率都是比较高,对于超声波发生器而言最为方便的输出方式就是输出方波信号,这样一来输出一定频率的方波,其中含有大量的谐波成分。通过匹配网络的设计可以滤除大量的高次谐波,改善超声波发生器的电压波形,使换能器两端得到良好的正弦波电压及电流。由于换能器是一个非线性系统,除了通过本身参数优化来提高超声波换能器的效率外,匹配网络改善换能器的特性也是必要的。

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