功率超声应用的磁致伸缩与压电换能器

目前用于功率超声应用的换能器有两种基本设计，磁致伸缩换能器和压电换能器。压电换能器利用材料的压电特性将电能直接转化为机械能。磁致伸缩换能器利用材料的磁致伸缩特性将磁场中的能量转化为机械能。磁场由缠绕在磁致伸缩材料上的线圈提供。这两种类型的传感器各有优缺点。Blackstone~NEY Ultrasonics权衡了这两种技术，并选择提供压电传感器。以下内容将帮助读者理解这一选择背后的基本原理。

背景

第一个超声波装置是在20世纪初由雅克·居里和皮埃尔·居里发现压电效应时研制出来的。这些装置由天然存在的压电矿物组成，如石英晶体，通过各种方式附着在要振动的表面上。这些早期的设备本身就很脆弱，这是由于其结构中使用的压电材料的脆弱性质和基本的粘合技术。在20世纪30年代，由于人们努力更广泛地利用超声波能量，当时可用的压电技术无法满足可靠、坚固的超声波设备的需要。正是在这个时候，磁致伸缩技术取代了压电技术，成为超声波设备的“马达”，包括早期的超声波清洗系统。江南娱乐app官方版下载国际那个时代的磁致伸缩装置无疑比压电装置更可靠。然而，随着第二次世界大战期间用于声纳应用的新型压电陶瓷的发展，这一切都开始改变。新的、更坚固的人造陶瓷取代了自然产生的“晶体”作为振动源。此外，人们还发现了对新型压电材料施加预应力的方法(就像在建筑中使用预应力混凝土一样)，以防止由于其有限的抗拉强度而失效。剩下的“薄弱环节”，即复合压电驱动器与适用于超声波清洗的容器的连接，随着20世纪50年代飞机工业所需的先进粘合剂粘接方法的发展而被克服。江南娱乐app官方版下载国际 This technology continues to advance to this day. So, although there was a period in time when magnetostrictive transducers ruled the world of ultrasonic cleaning, the pendulum has now swung back toward piezoelectricity as the preferred ultrasonic source. There is abundant support for this switch in preference for piezoelectricity. The following brief description of both magnetostrictive and piezoelectric technology as it is utilized in ultrasonic transducers is provided to assist the reader in an understanding of the discussions that follow.

传感器技术

压电换能器

操作原理

压电换能器的心脏是一个单或双厚的压电陶瓷材料盘，通常是锆钛酸铅(PZT)，夹在电极之间，为电接触提供附着点。陶瓷组件被压缩在金属块(一个铝块和一个钢块)之间，通过高强度、飞机质量的螺栓达到已知的压缩值。当电压通过电极施加在陶瓷上时，由于晶格结构的变化，陶瓷会膨胀或收缩(取决于极性)。这种物理位移导致声波传播到清洗溶液中。江南娱乐app官方版下载国际一个有趣的注意事项——用于测压元件的压电陶瓷的工作方式恰好相反(提供负载，产生电压)。

磁致伸缩换能器

操作原理

磁致伸缩换能器由大量平行排列的镍(或其他磁致伸缩材料)板或层压片组成，每个层压片的一个边缘附着在工艺槽的底部或其他要振动的表面上。在磁致伸缩材料周围放置一圈金属丝。当电流流过线圈时，就会产生磁场(就像高压电线一样)。这种磁场使磁致伸缩材料收缩或伸长，从而向清洗液中引入声波。江南娱乐app官方版下载国际

比较

如开头所述，上述两种技术各有相对的优点和缺点。其中一些不是很明显，因此将在下面详细讨论。

频率范围

典型的超声波频率范围为20至200千赫。由于磁致伸缩换能器的物理尺寸限制(频率取决于换能器的长度，频率越高要求的长度越短)，它固有地限制在大约30 kHz以下的频率下工作。压电换能器的频率不受这个范围的限制。制造商可以选择合适的压电设计，并利用主谐振频率的谐波倍数在整个超声波范围内以选定的输出频率驱动它。这使得压电换能器从可用频率的角度来看是一种更通用的选择。

可听噪音

典型的成年人能听到大约18千赫的声音。由于磁致伸缩系统的工作频率被限制在18到30千赫之间，因此它们的第一次谐波(工作频率的1/2)总是在人类可听到的范围内。这意味着磁致伸缩系统对人耳来说可能经常非常响亮，因为在超声波频率的第一次谐波中存在高能量。通常用于压电传感器的40khz能量在20khz处有第一次谐波，高于正常成年人的听力极限。第二次谐波在可听范围内(10千赫)，但与第一次谐波相比，这个谐波的能量非常低，所以声级没有那么高。简而言之，这意味着将磁致伸缩系统降至85分贝以下可能不经济，而根据OSHA标准，听力保护需要高于85分贝。通过适当的设计和声学屏蔽，较高频率的压电设备可以很容易地达到OSHA的限制。

传感器的可靠性

磁致伸缩的销售重点是换能器的可靠性和与油箱底部的冶金粘合。由此可见，压电换能器的可靠性较低。这些错误陈述的所谓历史支持可以在上面的“背景”一节中看到。事实上，这两种类型的传感器都是可靠的与今天的技术。两者都是成熟的、高度可靠的工程设备。这种为磁致伸缩技术辩护的论点，让人想起半导体时代初期为电子产品继续使用“管”式技术辩护的先进论点。

发电机的可靠性

用于驱动现代压电超声波发生器的发电机有2年的保修期，这是由制造过程中使用的先进半导体所实现的。磁致伸缩发电机设计通常采用老式的可控硅技术，由于高安培和开关频率，历史上更容易在负载下故障。典型的磁致伸缩发电机的保修期因此限制在1年。

扫描频率

清扫频率对均匀的清洗效果至关重要。江南娱乐app官方版下载国际大多数提供压电换能器的主要超声波供应商现在都有一些版本的扫描频率，因为市场对这种高效功能的需求。磁致伸缩系统还没有迁移到扫描频率系统。其原因是磁致伸缩换能器的惯性质量很大，不可能像要求的那样快速移频以获得良好的扫频。缓慢地扫频是可能的，但这已被证明益处有限。

老化的影响

压电材料的电活动作为半衰期函数从“极化”(在压电材料制造过程中最初对准电畴的过程)开始慢慢退化。然而，由于这种影响是众所周知的和可预测的，有可能采取措施来抵消其对传感器性能的影响。一种方法是在使用之前对压电元件进行“老化”。半衰期函数的特征之一是它随着时间的推移而越来越慢。在压电材料的情况下，100天后活性的降低使活性水平在1%以内，它将在未来17年的老化中达到最终水平。这意味着在17年里，海洋活动只会再减少1%。为了利用这一效应，超声波制造商通常在将压电陶瓷制成换能器组件之前将其老化100天以上。除了通过老化陶瓷实现的稳定性之外，今天的数字超声波发生器还可以轻松地感知和适应换能器随时间变化的电气性能。因此，压电材料的老化在今天的超声波系统中不是一个问题。

能源效率

压电换能器是非常有效的，因为直接转换电能到机械能在一个单一的步骤。直接向压电活性陶瓷施加功率会使其改变形状并产生声波。陶瓷中由于内摩擦和热造成的能量损失通常小于5%。这意味着传输到换能器的功率的95%用于清洁。江南娱乐app官方版下载国际用于驱动压电换能器的现代超声波发生器的效率通常超过75%，使整个系统效率达到70%或更高。另一方面，磁致伸缩系统依赖于电能到磁能的双重转换，然后从磁能到机械能来产生声波。由于线圈加热的能量损失和磁滞效应，磁性系统的效率通常不到50%。此外，发电机，即使调整得很好，通常不超过70%的效率。这意味着清洁动力的整体交付效率在35%到40%之间。江南娱乐app官方版下载国际在能源成本不断增加的今天，大型磁致伸缩系统对运行成本的影响不可低估。 Typical 10 Gallon system:

系统类型	权力画	发电机供电	传感器功率	罐内电源
压电	1050瓦	750瓦	710瓦	710瓦
磁致伸缩	2000瓦	1300瓦	650瓦	650瓦

频率与应用

频率影响空化事件的直径。低频产生大直径空化，高频产生小直径空化。每个空泡的能量也遵循同样的趋势。然而，单位体积空化数在高频系统中较高，在低频系统中较低。每个空化的能量和空化的数量的组合是总能量，这是相等的两个频率。

由于这种关系，40khz通常被认为是精确的清洗频率，在大多数清洗应用中占主导地位。江南娱乐app官方版下载国际低频系统在去除土壤极其困难的大质量应用中表现良好，但不需要完全去除，例如铝铸造后的砂型去除。

总结

今天的压电超声换能器是可靠的，高效的设备，可以放心地用于所有功率超声应用。反对压电换能器可靠性和支持使用磁致伸缩技术的换能器的论点是基于历史信息，这些信息现在已经过时了，而且在很大程度上是不准确的。事实上，压电换能器比磁致伸缩换能器能够提供更广泛的频率和波形特征，以及更高的电转换效率。压电换能器是当今先进技术的一个很好的选择。