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灵高超声波发生器与换能器的匹配设计

来源: | 发布日期:2022-06-23

       超声波发生器,也称作电箱,用于驱动超声波换能器振动,它将电源通过产生一定频率的正弦(或类似正弦)信号传给换能器。

       超声波换能器,是超声波产生的基础,它将电源转换成机械能(超声波)的器件,其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件,称换能器。

       不同的发生器和换能器都有不同的参数,以及功效,那么超声波发生器和换能器应该如何匹配设计呢?超声波发生器与超声波换能器匹配设计应当包括两个方面:

       ①通过匹配使发生器向超声波换能器输出额定的电功率,这是由于发生器需要一个最佳数值的负载才能输出额定功率所造成的,把换能器的阻抗变换成最佳负载,就是阻抗的变换作用;

        ②通过匹配使发生器输出效率最高,这是由于超声波换能器有静电抗的原因,造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差,从而使输出功率得不到期望的最大输出,使发生器输出效率降低,因此在发生器输岀端并上或串上一个相反的抗,使发生器负载为纯电阻,也即调谐作用。

       输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件,其设计与绕制工艺对发生器的工作安全很重要。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作,其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。因此在设计过程中,应选择具有高磁通密度乙、高磁导率μ、高阻率乙、低矫正顽固性乙的高饱和材料作为铁芯。

防止高频变压器瞬态饱和的情况下,应注意以下几点:


1.保证初级电感量足够大。

        一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系:WLl≥15RL',其中RL'为次级负载所算到初级边的等效电阻值,WLl为初级电感感抗,若初级电感量太小,励磁电流将比较大,励磁电流过大,变压器的损耗将增加,温升随之增高,从而降低Bs,使变压器进入饱和的可能性增大。


电感


2.考虑“集肤效应”的影响。

       在高频工作时,流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积,增加了导线的电阻,从而引起导线的压降增大,导致变压器温度升高,结果增大了变压器进入饱和的危险性,建议采用小直径的多股导线并绕的方法。


集肤效应


3.工作磁通密度B的选择。

       铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大,所需线圈匝数愈少,直流电阻R也愈小,从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时,传输的脉冲前沿就愈陡。因此,在设计变压器时,选取高磁通密度的材料作铁芯,这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和,一般选取工作磁通密度B≤Bs/3为宜,这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。


磁感应线圈





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