压电换能器在串并联谐振频率附近的特性研究

压电换能器在串并联谐振频率附近的特性研究 压电换能器在串并联谐振频率附近的特性 研究 第23卷第3期纺织高校基础科学vo1.23,N0.3 2010年9月BASICSCIENCESJOURNALOFTEXTILEUNIVERSITIESSept.,2010 文章编号:1006-8341(2010)03-0368-04 压电换能器在串并联谐振频率附近的特性研究 郭林伟 (榆林学院能源工程学院,陕西榆林719000) 摘要:研究了压电换能器在串,并联谐振频率附近工作时的特性.采用等效电路变换的,推导 出了换能器在串联,并联谐振频率附近时,串联,并联匹配电感参数以及有功电阻的表达式.结果 表明电感匹配可以提高有效机电耦合系数. 关键词:压电换能器;谐振频率;匹配电感;有效机电耦合系数 中图分类号:TB559文献标识码:A 压电换能器的振动模式有许多种?.对于任一振动模式的换能器,都具有6个特征频率,这6个特征频率在 一 定的精度范围内,有一级近似关系,即一一厂d厂p;否则无等值关系. 换能器在实际应用时,这6个 特征频率中,只有串联谐振频率和并联谐振频率不能直接用仪器测量出,但换能器工作时的频率大都选择 在或附近,因为换能器工作在或厂p时,处于谐振状态,振动振幅大,有利于能量输出.有关与厂p的测量方 法的文献较多,本文主要对压电换能器工作在或厂p处的性能及其匹配进行研究 1压电换能器谐振频率特性 一 般情况下压电换能器在谐振频率附近工作的等效电路图如图I(a)所示,其中c0为并联电容;R为 换能器机械损耗的动态电阻;C为换能器动态电容;L1为换能器动态电感.换能器的电端阻抗z=R+j R= X= CR1 CL+Gc[GcR;一2(Co+C)厶]+(c0+C)’ Cl(CIL1?一I)一Co{C1[c1R+L1(c1Ll一2)]?+1} +CoC1[CoC1R一2(Co+C1)1]?+(Co+C1)?’ Zf=,:C1[ClR+L1(C1Ll一2)]+I ?6+CoC1[CoC1R一2(Co+C1)L1]+(co+C1)22’ (1) (2) (3) =arcn 簧=a…t{).(4) 其中为阻抗角,?=2为激励信号的圆频率.式(2)所描述的电抗曲线见图1(b).如果以R为横坐 标,X为纵坐标,以频率为自变量在平面内作图,就可以得到压电换能器的阻抗圆,见图1(c),利用阻抗 收稿日期:2010-06—10 基金项目:陕西省教育厅项目(11213026) 作者简介:郭林伟(1976-),女,陕西省米脂县人,榆林学院讲师,硕士.E.mail:gunwei20o0@163.com 第3期压电换能器在串并联谐振频率附近的特性研究369 圆可以直观得到串联,并联谐振频率附近的一些特性. 三1 ==cl= R I[ 冠/— 一下,/(?( 图1压电换能器的基频等效电路,电抗曲线与阻抗圆 当f==1/(2~C)时,串联支路谐振,故为串联谐振频率.当f==1/[2~ ,而]时,换能器的串联支路与并联支路一同谐振,此时认为R.远小于支路电抗,故厂p为 并联谐振频率.在阻抗圆上可以找到频率为时的阻抗状态.得知在附近的区域里,所需的激励电压 U较小,同时值较小,则匹配电感也较小;工作在附近时所需等效电阻邱和等效电抗较大’故需 较高的激励电压和较大的匹配电感,但换能器具有功率自动调节的性能.换能器加上匹配电路后,其实际 工作频率不仅取决于自身谐振频率,且与匹配电感有关.本文用等效电路法推导在串,并联谐振频率附近 时,串,并联匹配电感参数的表达式,并讨论电感匹配对系统振动性能的影响. 2电感匹配在谐振频率附近的情况 2.1匹配电感谐振于 换能器谐振的等效电路变换如图2.图2(a)为换能器谐振频率附近的等效电路图.当换能器处于串 联谐振状态,换能器的动态支路中仅剩下电阻分量R,,此时换能器可等效成静态电容c0和机械电阻的 并联,对外呈现电容性状态,因而需要一电感元件来调谐,按照电感元件的接人方式分两种情况. (1)并联调谐匹配电感与换能器并联,见图2(b),通过计算,电感满足关系 L,=1/(?Co)(?.=2), 系统有功电阻仍为R不变. (2)串联调谐匹配电感与换能器串联,见图2(c).在串联调谐的情况下,需要将换能器在谐振时 的并联等效电路转换成串联型的等效电路.通过计算,电感,满足 L.=1/(:C)(C0=Co/(1+1/(?2CoR))). 变换后换能器的串联电阻和串联电容分别是和c. R=R1/(14-?2.C2oR),Co=Co/(1+1/(?2.C2oR;)). 系统有功电阻R:小于并联调谐时的有功电阻R,. 从上面可以看出,无论是串联匹配还是并联调谐,匹配电感公式形式相同.但是,为了确定换能器 的匹配电感,必须事先知道换能器的等效电路参数和串联谐振频率.因为在实际的调谐过程中,是通过调 整换能器的激励频率和匹配电感,使换能器处于最佳工作状态.然而,通过这种方法实现匹配调谐以后,换 能器的实际工作频率并不一定就是换能器的串联谐振频率. 图3是应用阻抗分析仪对有匹配电感的清洗换能器电抗曲线的测量.且一般要求系统工作在基频附 近,曲线?为串联电感匹配前换能器的电抗曲线;曲线?为匹配后的电抗曲线.可以看出串联谐振频率 有漂移,不过根据经验是容易掌握的. 2.2匹配电感谐振厂D 对于超声波塑焊机,超声波粉碎,切削等负载变化大的超声设备,一般希望换能器工作在并联谐振频 率附近.图4(a)为换能器谐频率附近的等效电路图.换能器在并联谐振频率附近时的电路等效变换如 370纺织高校基础科学第23卷 I— lco==_J R.I1 (b) Cl 工2 厶 Co=一一 = l[ CI 状态,如图4(c),匹配电感满足Ls=l/(c.)(?=2),有功电阻R=1/(?cR). 设为加在换能器两端的激励电压,则换能器消耗的功率为 P=/R1=2 P(R+R)=?2PR+;吼.(5) 其中R为换能器机械损耗的动态电阻;吼为辐射能量的负载电阻,也可看作是负载等效阻抗.式(5)右 端前一项是换能器的机械损耗功率,后一项是与R.成正比例的输出负载消耗的功率.明显可以看出,当驱 动电源的电压保持一定时,换能器消耗的功率P随着负载.的变化而变化.负载R增大,功率P变大,反 之,则功率减小,即换能器工作在时具有自动功率调节性能.这种性能对于超声焊接,超声加工等负载变 化频繁,剧烈的场合是非常有意义的,工作在串联谐振频率的换能器一般不具备这种性能. (2)并联电感匹配匹配电感,与变换后的换能器并联,如图4(d).通过计算,电感,满足L: 1/(w~C”o),c,,0=C0/(1+?R),电路变换后的有功电阻为R=(1+,2)/(.2R:). 显然,并 联匹配的有功电阻”大于串联匹配的有功电阻R,从功率传输这一角度分析,串联匹配优于并联匹配. 2.3匹配电路对系统有效机电耦合系数的影响 根据换能器有效机电耦合系数的定义,可得匹配电路及换能器复合系统的有效机电耦合系数的表达 式=(厂:一)/f;,其中和厂p为匹配电路和换能器系统的串联和并联谐振频率,可把匹配电路参数 对系统的有效机电耦合系数的影响归纳为以下两点: (1)当匹配电感与换能器串联时,由于串联谐振频率降低,而并联谐振频率不变,此时系统的有效 机电耦合系数升高; (2)当匹配电感与换能器并联时,串联谐振频率不变,但并联谐振频率升高,有效机电耦合系数升 高.无论是采用串联还是并联电感匹配,都能使系统的有效机电耦合系数升高. 3结束语 通过对换能器经常工作在两个频率——串联谐振频率与并联谐振频率时的特性进行讨论,并且对电 感匹配于这两个频率时的特点进行了比较研究,推导出串联,并联电感匹配于串,并联谐振频率时,对应的 匹配电感参数和有功电阻的表达式.其中匹配电感参数经过推导整理,统一了表达形式,即= l/(),.=1/(to~2Co),.=1/(o,~Co),=1/(?;).同时分析了匹配电感的加入与换能器的有效 第3期压电换能器在串并联谐振频率附近的特性研究37l =一C t= rR - 【 (b) (c)(d) 图4并联谐振时压电换能器等效电路变换及串,并联匹配 机电耦合系数间的关系.最后得出不管换能器工作于串联谐振还是 并联谐振,串联匹配都要优于并联匹 配,并且两种匹配都可以提高系统的有效机电耦合系数. 参考文献: [1]林玉.超声换能器的原理及设计[M].北京:科学出版社,2004:1-9. [2]WUYunfa.Technologyresearchonmatchofwidebandunderwateracoust ictransducer[J].TechnicalAcoustics,2o0,19 89. (2):87— [3]杨哲,鞠晓东.压电换能器阻抗匹配研究[J].高电压技 术,2007,33(1):70-73. [4]郭林伟,林书玉,许龙.压电换能器静态匹配电路研究[J].纺织高校 基础科学,2008,21(3):361-363. [5]鲍善惠.压电换能器的动态匹配[J].应用声学,1998,17(2):16-20. [6]鲍善惠,王艳东.压电换能器在并联谐振频率附近特性的研究[J]. 声学技术,2006,25(2):165-168. Study0npiezoelectrictransducerworkingnearparallel andseriesresonancefrequency GLin—wei (CollegeofEnergyEngineering,YulinUniversity,Yulin,Shaanxi719000,C hina) Abstract:Ananalysisismadeonthepropertiesofthepiezoelectrictransducer workingnearseriesandparallel re$onantfrequency.TheresultsprovethatmatchinginductanceofthepiezoelectricCanimprovetheeffectivee lectromechanicalcouplingcoefficientbyapplyingthetransformationofequivalentcircuitnearparallelandseries resonancefrequencytodeduceparallelmatchinginductanceparametersandtheexpressionofactiveresistance? Keywords:piezoelectrictransducer;resonancefrequency;matchinginductance;effectiveelectromechanical couplingcoe伍cient编辑:黄燕萍;校对:武晖