超声波换能器的匹配

将超声波换能器和超声波发生器、超声波焊接模具三者连接起来，并使之处于正常的工作谐振状态称之为匹配。由于匹配对整机性能的影响是决定性的，无论怎样强调匹配的重要性都不为过。

匹配最主要考虑的因素是换能器的电容量，其次是换能器的频率。  需要强调的是，超声波换能器本身不是一个能量发生器，它只是一个能量转换器。是将电能转换为声能 ( 机械能 ) ，在输入 ( 驱动电源      ) ，输出 ( 变幅杆，模具 ) 良好匹配的前提下，它可以转换（输出）很大的能量。  输入匹配是指换能器与驱动电源的匹配，若输出匹配好而输入匹配不好，则表现为换能器无力，焊不牢。若输出匹配不好而输入匹配好，则换能器会过载，造成晶片错位开裂，破碎，螺杆断，铝裂或烧电箱功率管。举个例子，就像汽车在空挡状态下猛踩油门，发动机肯定容易损坏的。  

换能器与驱动电源的匹配主要有 4 个方面，即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中最主要的是容抗和频率。

如前所述   ，因为陶瓷片是绝缘体，你几乎可以理解为换能器是不通电的，它只是相当于一个电容器。要使换能器工作，实际上是通过驱动电路对它施加交流高电压，让换能器的电容充放电。压电陶瓷片在交变电场的作用下做同步伸缩变形，形成了整个换能器的纵向振动，从而带动变幅杆和模具振动。所以，若电容匹配不好，轻者是换能器无力，焊不牢；重者换能器发热严重，烧电极片、烧电源的大功率管。我们的换能器产品附有产品性能参数表，给出了每个换能器的电容和频率。驱动电源应该根据换能器的电容量，调整高压变压器，匹配电容板，峰化线圈，调频线圈等的参数。由于电感和电容量的敏感性，功放板，扼流线圈及其他外围电路对匹配也有影响。     

而且随着工作进行，换能器的温度会升高，导致电容也会升高且变化量可能会超过 50% ，若不能将电容有效地匹配掉，就会造成回路中电流电压相位差很大，功率因素很低，虚功高。看看电流很大，但换能器没力，易发热，且电源的功率器件也容易发热损坏。一般换能器电极片（耳朵）振裂或烧掉很可能就是由此引起的。  频率匹配同样也非常重要。这首先是因为超声换能器只能工作在他的谐振频率点，所以驱动电源、变幅杆、焊接模具（工具头）都应该在这个频率下工作。一般而言，我们希望这个差别最大不超过 ± 0.1kHz ，能小一点就更好。 我们强烈建议您配套焊接模具（焊头）的频率低于振动子频率 0.1kHz 左右（小信号频率）。也就是说，若原振动子小信号测量的频率是      14.85 kHZ ，则连上模具后再测频率为 14.75 kHZ 最为理想。 同时就应考虑到，超声波换能器接上变幅杆和模具头后，系统的谐振频率峰会变得很尖锐，也即带宽很窄，机械品质因数很大，频率偏移一点都会造成阻抗很大的增加。表现在驱动电源上就是电源（振幅表电功率）很大或过载保护。若刚好这时是空载调机，则很可能会造成晶片错位，晶片裂或中心螺杆断。  功率匹配和阻抗匹配主要是考虑到超声波焊接系统是间隙式工作，负载变化极大，焊接时要有足够的功率输出，空载时要控制在最小振幅。否则，就像前面提到的，空载时输入很大，则损坏换能器。满载时功率上不去，焊不牢还是没用的。   各部件装配注意事项　　  

超声波振动系统的各个部件，如换能器、变幅杆、工具头等主要部分是通过中心螺栓连接的。       

1 、 检查接触面应平整光滑无伤痕，若有伤痕，用零号以上的金相砂纸轻轻打磨。要求既能将缺　　陷磨平，又不破坏接触面的平面度。      

2 、 用易挥发无腐蚀性的清洁剂清洁螺丝、螺孔和接触面。      

3 、 彻底清洁螺丝、螺孔和接触面。      

4 、 所有连接螺孔应垂直于接触面。      

5 、 拧紧前在接触面上涂薄薄一层硅脂（或黄油和凡士林），注意不要将硅脂涂到连接螺丝及螺孔上。      

6 、小心地将二个部件拧紧。根据连接螺丝规格的不同，控制合适的拧紧力矩。在可能的情况下，应拧的适当紧一点。      

7、若重新松开结合面后应该看不到有任何伤痕。      

8 、用手摸振动系统振幅均匀，无怪声，无局部严重发热。      

9 、工作一段时间后重新送开结合面应没有氧化或烧蚀痕迹，否则就说明此处接触不好，超声波能量在这里损失严重。  

换能器的使用温度

换能器使用时会发热，这主要是由三个原因引起的。其一是被焊工件会发热或被超声波处理的物质会发热，或模具（工具头）、变幅杆长时间工作会发热，这些热量都会传递到换能器上。其二是换能器本身的功率损耗。既然做不到能量转换效率 100% ，损耗的那部分能量必然转换成热量。温升会导致换能器参数变化，逐渐偏移最佳匹配状态，更严重的是温升会导致压电陶瓷晶片性能的劣化。这反过来又促使换能器工作状态更坏，更快地升温，这是一个恶性循环。所以我们必须给以换能器良好的冷却条件，一般是常温风冷；如有必要，也可采用冷风风冷。在正常情况下，这两点引起的温升也是正常的，在正常的冷却条件下，不会有大的问题。  在实践中我们发现，还有第三个原因，就是客户在使用时没能将换能器与驱动电源匹配到最佳工作状态，这引起的发热是很大的，而且是不可控的，会产生严重的后果。同时温度高了，铝材的机械强度就急剧下降，在大功率的作用下，开裂就是必然的了。明明是好的东西，由于使用不当造成损坏，实在是太可惜了。 根据国内外的经验，换能器的温度在任何时候都绝对不能超过摄氏 85 ℃ 。我们会在换能器上贴有一次性不可逆的温度感应贴片，只要换能器温度超过 85 ℃ ，温度感应贴片就会永久地变色，这就提醒你换能器使用还存在一些问题，应该全面地查找一下问题的原因，若不及时改进问题极有可能导致超声波机械损坏。客户请经常测量换能器温度，并及时检查感温贴片颜色。