超声减摩用压电换能器阻抗匹配的试验研究

　　1　前言

　　1998年吉林大学压电驱动研究室[1]对超声振动减摩现象进行过系统研究,提出电压变化与振幅变化有关,振幅变化和摩擦系数变化有关,并对超声振动减摩现象作了详细分析;曲建俊等[2]研究了垂直振动对摩擦驱动的影响,解释了超声驱动下动摩擦系数降低的原因;清华大学的黄明军等[3]研究了超声振动对摩擦力的影响;吉林大学的曾平[4]、李军[5]等人还通过试验机构测试了减摩性能及影响因素之间的关系。由于压电换能器在谐振频率附近工作时呈容性,为进一步研究和利用超声减摩这一现象,提高其振动表面的振幅,提高压电换能器的工作效率,达到更好的减摩效果,首先就要解决换能器阻抗匹配的问题。本文利用各种匹配方法[6～10]对超声减摩用压电换能器进行阻抗匹配,以达到提高换能器振幅的目的,解决了超声减摩用压电换能器阻抗匹配问题。

　　2　阻抗匹配作用

　　压电换能器是利用压电陶瓷的逆压电效应将超声频电能转换成机械振动的器件,是超声减摩应用中的关键部件。压电换能器在应用中经常会遇到阻抗匹配的问题,它是提高超声器件效率和安全性的一个重要的技术环节。通常阻抗匹配应起到以下作用:

　　(1)变阻　将换能器的阻抗变至适当值,使得超声波发生器达到额定的输出,同时使得换能器获得足够的功率。

　　(2)调谐　换能器是一个二端器件,它自己并不能识别外加信号是否经过匹配,只要外加信号的幅值和频率一定,它就可以工作;但是系统失谐将对信号发生器产生不利影响,严重时会使系统损坏。所以调谐实际上是发生器对匹配的要求。

　　(3)滤波　开关型电源输出信号含有大量的谐波成分,有效滤出这些谐波将有利于减轻功放负担,提高设备效率。

　　3　压电换能器阻抗特性分析

　　压电换能器是用谐振方式进行能量转换的,它在谐振频率附近工作时,其等效电路如图1所示。图中,C0是压电换能器静态电容;C1是动态电容;L1是动态电感;R1是动态电阻;其阻抗为

　　由式(1)可看出,压电换能器阻抗是频率的函数,随谐振状态的不同而变化。通常把阻抗的实部称作阻抗的阻分量R,虚部称作阻抗的抗分量X,串联支路的阻抗为X1,则

　　由(2)～(4)可知R、X、X1都是频率的函数。当X1的虚部为0时,即串联谐振角频率,阻抗Z最小时的频率为最小阻抗频率fm,Z最大时的频率为最大阻抗频率fn,阻分量R最大时的频率为并联谐振频率fp,当抗分量为0时,有谐振频率fr和反谐振频率fa。当压电换能器的品质因数Q>>1时,可以近似认为fs≈fr≈fm,fp≈fa≈fn。