一种工业用大功率多向振幅调控超声振动装置的制作方法

本发明涉及工业用超声换能器，具体是一种工业用大功率多向振幅调控超声振动装置。

背景技术：

工业用超声换能器广泛应用于超声清洗、超声焊接、超声搅拌、超声粉碎、超声乳化、超声除气、超声雾化、超声浸渍、超声凝聚、超声促进化学反应、电镀及材料疲劳试验等超声加工领域。现有工业用超声换能器由于自身结构所限，存在如下问题：其一，现有工业用超声换能器的输出端振幅较小，导致其存在输出功率低的问题。其二，现有工业用超声换能器在长时间工作后会出现发热严重的现象，因此其不宜长时间工作。其三，现有工业用超声换能器通常只能配套一台超声波电源，导致其输入功率受限、振型不可控，由此导致其总体功率受限、使用灵活性差。其四，现有工业用超声换能器的预应力通常由单个预应力螺栓提供，导致其压电晶体受力不均匀，由此导致其机电转换效率低。基于此，有必要发明一种全新的工业用超声换能器，以解决现有工业用超声换能器输出功率低、不宜长时间工作、总体功率受限、使用灵活性差、机电转换效率低的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有工业用超声换能器输出功率低、不宜长时间工作、总体功率受限、使用灵活性差、机电转换效率低的问题，提供了一种工业用大功率多向振幅调控超声振动装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种工业用大功率多向振幅调控超声振动装置，包括纵向振动超声振子和多向调谐压电阵元；

所述纵向振动超声振子包括压电主体、圆形上端盖、圆形下端盖、预应力螺栓、碟形弹簧、预应力螺母、第一圆形隔声环、第二圆形隔声环、圆筒形防尘罩、圆台形变幅杆、圆环形节圆盘；

所述压电主体由四个压电单元自上而下层叠而成；每个压电单元均包括圆形吸热绝缘垫、五个圆形弛豫铁电单晶片、五个圆形电极片、条形电极片、两个v形电极片；

圆形吸热绝缘垫的端面分别贯通开设有五个圆形安装孔；第一个圆形安装孔位于圆形吸热绝缘垫的端面中央；第二至第五个圆形安装孔均位于圆形吸热绝缘垫的端面边缘，且第二至第五个圆形安装孔围绕圆形吸热绝缘垫的轴线等距排列；五个圆形弛豫铁电单晶片一一对应地嵌装于五个圆形安装孔内；每个圆形弛豫铁电单晶片的下端面均分别开设有若干道圆环形切缝和若干道条形切缝；各道圆环形切缝的轴线均重合；各道条形切缝均位于第一道圆环形切缝的内侧，且各道条形切缝的两端均与第一道圆环形切缝连通；各道条形切缝呈等距平行排列；各道圆环形切缝和各道条形切缝内均填充有高分子去耦材料；五个圆形电极片一一对应地层叠于五个圆形弛豫铁电单晶片的上端面；条形电极片和两个v形电极片均层叠于圆形吸热绝缘垫的上端面；条形电极片的前端面与第一个圆形电极片的侧面固定；两个v形电极片左右对称，且两个v形电极片的开口相互正对；第一个v形电极片的两个尾端面分别与第二个圆形电极片的侧面和第三个圆形电极片的侧面固定；第二个v形电极片的两个尾端面分别与第四个圆形电极片的侧面和第五个圆形电极片的侧面固定；

圆形上端盖的下端面与压电主体的上端面接触；圆形上端盖的侧面上端延伸设置有第一圆环形凸台；第一圆环形凸台的端面贯通开设有若干个第一沉头孔，且各个第一沉头孔围绕圆形上端盖的轴线排列；各个第一沉头孔的头部均朝上；第一圆环形凸台的下端面开设有第一圆环形凹槽，且第一圆环形凹槽位于各个第一沉头孔的外侧；圆形下端盖的上端面与压电主体的下端面接触；圆形下端盖的侧面上端延伸设置有第二圆环形凸台；第二圆环形凸台的端面贯通开设有若干个第二沉头孔；第二沉头孔的数目与第一沉头孔的数目一致，且各个第二沉头孔与各个第一沉头孔一一正对；各个第二沉头孔的头部均朝下；第二圆环形凸台的上端面开设有第二圆环形凹槽，且第二圆环形凹槽与第一圆环形凹槽相互正对；圆形下端盖的下端面中央延伸设置有第一圆柱形凸台，且第一圆柱形凸台的侧面设有外螺纹；预应力螺栓的数目与第二沉头孔的数目一致；各个预应力螺栓一一对应地贯穿各个第二沉头孔和各个第一沉头孔，且各个预应力螺栓的头部一一对应地位于各个第二沉头孔的头部；碟形弹簧的数目与预应力螺栓的数目一致；各个碟形弹簧一一对应地套设于各个预应力螺栓上，且各个碟形弹簧一一对应地位于各个第一沉头孔的头部；预应力螺母的数目与预应力螺栓的数目一致；各个预应力螺母一一对应地旋拧于各个预应力螺栓上，且各个预应力螺母一一对应地紧压各个碟形弹簧；第一圆形隔声环嵌装于第一圆环形凹槽内；第二圆形隔声环嵌装于第二圆环形凹槽内；圆筒形防尘罩的内侧面上端与第一圆环形凸台的外侧面固定配合；圆筒形防尘罩的内侧面下端与第二圆环形凸台的外侧面固定配合；圆筒形防尘罩的侧面中部贯通开设有四个穿线孔，且各个穿线孔围绕圆筒形防尘罩的轴线排列；圆台形变幅杆的粗端朝上、细端朝下；圆台形变幅杆的上端面中央开设有第一盲螺孔，且圆台形变幅杆通过第一盲螺孔旋拧于第一圆柱形凸台上；圆台形变幅杆的下端面开设有三个圆形盲孔，且三个圆形盲孔围绕圆台形变幅杆的轴线等距排列；三个圆形盲孔的孔底中央各延伸设置有一个第二圆柱形凸台；三个第二圆柱形凸台的侧面均设有外螺纹；圆环形节圆盘的内侧面与圆台形变幅杆的侧面中部固定为一体；

所述多向调谐压电阵元包括圆柱形连接杆、第一圆柱形钛合金块、第一圆形压磁材料片、第二圆柱形钛合金块、第二圆形压磁材料片、第三圆柱形钛合金块、复合变幅杆；

圆柱形连接杆的数目为三个；三个圆柱形连接杆的上端面中央各开设有一个第二盲螺孔，且三个圆柱形连接杆分别通过三个第二盲螺孔旋拧于三个第二圆柱形凸台上；三个圆柱形连接杆的下端面均为中间低四周高的环形阶梯面；第一圆柱形钛合金块的数目为三个；三个第一圆柱形钛合金块的上端面均为中间高四周低的环形阶梯面；三个第一圆柱形钛合金块的上端面分别与三个圆柱形连接杆的下端面固定配合；第一圆形压磁材料片的数目为三个；三个第一圆形压磁材料片的上端面中央分别与三个第一圆柱形钛合金块的下端面固定；第二圆柱形钛合金块的数目为三个；三个第二圆柱形钛合金块的上端面分别与三个第一圆形压磁材料片的下端面中央固定；第二圆形压磁材料片的数目为三个；三个第二圆形压磁材料片的上端面中央分别与三个第二圆柱形钛合金块的下端面固定；第三圆柱形钛合金块的数目为三个；三个第三圆柱形钛合金块的上端面分别与三个第二圆形压磁材料片的下端面中央固定；三个第三圆柱形钛合金块的下端面均为中间高四周低的环形阶梯面；复合变幅杆的数目为三个；三个复合变幅杆的上端面均为中间低四周高的环形阶梯面；三个复合变幅杆的上端面分别与三个第三圆柱形钛合金块的下端面固定配合。

工作时，选取三台超声波电源。第一台超声波电源的一个输出端分别与第一个压电单元的条形电极片和第三个压电单元的条形电极片连接，另一个输出端分别与第二个压电单元的条形电极片和第四个压电单元的条形电极片连接。第二台超声波电源的一个输出端分别与第一个压电单元的第一个v形电极片和第三个压电单元的第一个v形电极片连接，另一个输出端分别与第二个压电单元的第一个v形电极片和第四个压电单元的第一个v形电极片连接。第三台超声波电源的一个输出端分别与第一个压电单元的第二个v形电极片和第三个压电单元的第二个v形电极片连接，另一个输出端分别与第二个压电单元的第二个v形电极片和第四个压电单元的第二个v形电极片连接。具体工作过程如下：若启动第一台超声波电源，则第一台超声波电源输出的一路超声频电信号经四个压电单元的条形电极片传输至第一个圆形电极片。若启动第二台超声波电源，则第二台超声波电源输出的一路超声频电信号经四个压电单元的第一个v形电极片传输至第二个圆形电极片和第三个圆形电极片。若启动第三台超声波电源，则第三台超声波电源输出的一路超声频电信号经四个压电单元的第二个v形电极片传输至第四个圆形电极片和第五个圆形电极片。在三路（或其中一路或两路）超声频电信号的作用下，四个压电单元的圆形弛豫铁电单晶片全部（或部分）产生逆压电效应，并在逆压电效应的作用下输出纵向超声频振动。纵向超声频振动经圆形下端盖向下传递至圆台形变幅杆，并经圆台形变幅杆进行初次放大，然后依次经三个圆柱形连接杆、三个第一圆柱形钛合金块、三个第一圆形压磁材料片、三个第二圆柱形钛合金块、三个第二圆形压磁材料片、三个第三圆柱形钛合金块向下传递至三个复合变幅杆，并经三个复合变幅杆进行二次放大后输出。在此过程中，利用外部磁场可对三个第一圆形压磁材料片和三个第二圆形压磁材料片的磁导率进行调节，由此使得三个第一圆形压磁材料片和三个第二圆形压磁材料片发生形变，从而使得本发明的输出频率与超声波电源实现动态匹配。各道圆环形切缝、各道条形切缝、填充于切缝内的高分子去耦材料能够有效抑制圆形弛豫铁电单晶片的杂散模态、有效提高圆形弛豫铁电单晶片在厚度方向上的能量转换效率，由此有效增大本发明的输出端振幅。各个圆形吸热绝缘垫能够有效吸收各个圆形弛豫铁电单晶片在工作中产生的热量。第一圆形隔声环、第二圆形隔声环能够有效防止纵向超声频振动向四周传递。

基于上述过程，与现有工业用超声换能器相比，本发明所述的一种工业用大功率多向振幅调控超声振动装置通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，本发明通过采用带有切缝和高分子去耦材料的圆形弛豫铁电单晶片作为压电晶体，有效增大了输出端振幅，由此有效提高了输出功率。其二，本发明通过采用圆形吸热绝缘垫吸收圆形弛豫铁电单晶片在振动过程中产生的热量，有效避免了发热严重的现象，因此其适宜长时间工作。其三，本发明能够配套三台超声波电源，且三台超声波电源彼此独立工作，由此不仅有效提高了输入功率，而且通过控制超声波电源的启动台数实现了振型控制，从而不仅有效提高了总体功率，而且有效提高了使用灵活性。其四，本发明的预应力由若干个预应力螺栓和碟形弹簧共同提供，由此使得压电晶体受力变得均匀，从而有效提高了机电转换效率。此外，本发明通过采用带有压磁材料片的多向调谐压电阵元，实现了自身输出频率与超声波电源的动态匹配，由此有效避免了因输出频率漂移而造成自身不工作或超声波电源被烧毁。

进一步地，所述纵向振动超声振子还包括若干个圆环形应变片式无线压力传感器；圆环形应变片式无线压力传感器的数目与碟形弹簧的数目一致；各个圆环形应变片式无线压力传感器一一对应地套设于各个预应力螺栓上，且各个圆环形应变片式无线压力传感器一一对应地位于各个第一沉头孔的头部；各个圆环形应变片式无线压力传感器一一对应地位于各个碟形弹簧的下方。工作时，各个圆环形应变片式无线压力传感器实时采集预应力信号，并将采集到的预应力信号实时发送至计算机进行显示，计算机根据预应力信号即可实时判断圆形弛豫铁电单晶片是否受力均匀。

更进一步地，圆形上端盖的密度大于圆形下端盖的密度。工作时，这一设计可以有效防止纵向超声频振动经圆形上端盖向上传递。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有工业用超声换能器输出功率低、不宜长时间工作、总体功率受限、使用灵活性差、机电转换效率低的问题，适用于各种超声加工领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中碟形弹簧、圆环形应变片式无线压力传感器的结构示意图。

图3是本发明中圆形吸热绝缘垫的结构示意图。

图4是本发明中圆形弛豫铁电单晶片的结构示意图。

图5是图4的半剖视图。

图6是本发明中圆形电极片、条形电极片、v形电极片的结构示意图。

图7是本发明中圆台形变幅杆、圆环形节圆盘、多向调谐压电阵元的结构示意图。

图中：101-圆形上端盖，102-圆形下端盖，103-预应力螺栓，104-碟形弹簧，105-预应力螺母，106-第一圆形隔声环，107-第二圆形隔声环，108-圆筒形防尘罩，109-圆台形变幅杆，110-圆环形节圆盘，111-圆形吸热绝缘垫，112-圆形弛豫铁电单晶片，113-圆形电极片，114-条形电极片，115-v形电极片，116-圆形安装孔，117-圆环形切缝，118-条形切缝，119-穿线孔，120-圆环形应变片式无线压力传感器，201-圆柱形连接杆，202-第一圆柱形钛合金块，203-第一圆形压磁材料片，204-第二圆柱形钛合金块，205-第二圆形压磁材料片，206-第三圆柱形钛合金块，207-复合变幅杆。

具体实施方式

一种工业用大功率多向振幅调控超声振动装置，包括纵向振动超声振子和多向调谐压电阵元；

所述纵向振动超声振子包括压电主体、圆形上端盖101、圆形下端盖102、预应力螺栓103、碟形弹簧104、预应力螺母105、第一圆形隔声环106、第二圆形隔声环107、圆筒形防尘罩108、圆台形变幅杆109、圆环形节圆盘110；

所述压电主体由四个压电单元自上而下层叠而成；每个压电单元均包括圆形吸热绝缘垫111、五个圆形弛豫铁电单晶片112、五个圆形电极片113、条形电极片114、两个v形电极片115；

圆形吸热绝缘垫111的端面分别贯通开设有五个圆形安装孔116；第一个圆形安装孔116位于圆形吸热绝缘垫111的端面中央；第二至第五个圆形安装孔116均位于圆形吸热绝缘垫111的端面边缘，且第二至第五个圆形安装孔116围绕圆形吸热绝缘垫111的轴线等距排列；五个圆形弛豫铁电单晶片112一一对应地嵌装于五个圆形安装孔116内；每个圆形弛豫铁电单晶片112的下端面均分别开设有若干道圆环形切缝117和若干道条形切缝118；各道圆环形切缝117的轴线均重合；各道条形切缝118均位于第一道圆环形切缝117的内侧，且各道条形切缝118的两端均与第一道圆环形切缝117连通；各道条形切缝118呈等距平行排列；各道圆环形切缝117和各道条形切缝118内均填充有高分子去耦材料；五个圆形电极片113一一对应地层叠于五个圆形弛豫铁电单晶片112的上端面；条形电极片114和两个v形电极片115均层叠于圆形吸热绝缘垫111的上端面；条形电极片114的前端面与第一个圆形电极片113的侧面固定；两个v形电极片115左右对称，且两个v形电极片115的开口相互正对；第一个v形电极片115的两个尾端面分别与第二个圆形电极片113的侧面和第三个圆形电极片113的侧面固定；第二个v形电极片115的两个尾端面分别与第四个圆形电极片113的侧面和第五个圆形电极片113的侧面固定；

圆形上端盖101的下端面与压电主体的上端面接触；圆形上端盖101的侧面上端延伸设置有第一圆环形凸台；第一圆环形凸台的端面贯通开设有若干个第一沉头孔，且各个第一沉头孔围绕圆形上端盖101的轴线排列；各个第一沉头孔的头部均朝上；第一圆环形凸台的下端面开设有第一圆环形凹槽，且第一圆环形凹槽位于各个第一沉头孔的外侧；圆形下端盖102的上端面与压电主体的下端面接触；圆形下端盖102的侧面上端延伸设置有第二圆环形凸台；第二圆环形凸台的端面贯通开设有若干个第二沉头孔；第二沉头孔的数目与第一沉头孔的数目一致，且各个第二沉头孔与各个第一沉头孔一一正对；各个第二沉头孔的头部均朝下；第二圆环形凸台的上端面开设有第二圆环形凹槽，且第二圆环形凹槽与第一圆环形凹槽相互正对；圆形下端盖102的下端面中央延伸设置有第一圆柱形凸台，且第一圆柱形凸台的侧面设有外螺纹；预应力螺栓103的数目与第二沉头孔的数目一致；各个预应力螺栓103一一对应地贯穿各个第二沉头孔和各个第一沉头孔，且各个预应力螺栓103的头部一一对应地位于各个第二沉头孔的头部；碟形弹簧104的数目与预应力螺栓103的数目一致；各个碟形弹簧104一一对应地套设于各个预应力螺栓103上，且各个碟形弹簧104一一对应地位于各个第一沉头孔的头部；预应力螺母105的数目与预应力螺栓103的数目一致；各个预应力螺母105一一对应地旋拧于各个预应力螺栓103上，且各个预应力螺母105一一对应地紧压各个碟形弹簧104；第一圆形隔声环106嵌装于第一圆环形凹槽内；第二圆形隔声环107嵌装于第二圆环形凹槽内；圆筒形防尘罩108的内侧面上端与第一圆环形凸台的外侧面固定配合；圆筒形防尘罩108的内侧面下端与第二圆环形凸台的外侧面固定配合；圆筒形防尘罩108的侧面中部贯通开设有四个穿线孔119，且各个穿线孔119围绕圆筒形防尘罩108的轴线排列；圆台形变幅杆109的粗端朝上、细端朝下；圆台形变幅杆109的上端面中央开设有第一盲螺孔，且圆台形变幅杆109通过第一盲螺孔旋拧于第一圆柱形凸台上；圆台形变幅杆109的下端面开设有三个圆形盲孔，且三个圆形盲孔围绕圆台形变幅杆109的轴线等距排列；三个圆形盲孔的孔底中央各延伸设置有一个第二圆柱形凸台；三个第二圆柱形凸台的侧面均设有外螺纹；圆环形节圆盘110的内侧面与圆台形变幅杆109的侧面中部固定为一体；

所述多向调谐压电阵元包括圆柱形连接杆201、第一圆柱形钛合金块202、第一圆形压磁材料片203、第二圆柱形钛合金块204、第二圆形压磁材料片205、第三圆柱形钛合金块206、复合变幅杆207；

圆柱形连接杆201的数目为三个；三个圆柱形连接杆201的上端面中央各开设有一个第二盲螺孔，且三个圆柱形连接杆201分别通过三个第二盲螺孔旋拧于三个第二圆柱形凸台上；三个圆柱形连接杆201的下端面均为中间低四周高的环形阶梯面；第一圆柱形钛合金块202的数目为三个；三个第一圆柱形钛合金块202的上端面均为中间高四周低的环形阶梯面；三个第一圆柱形钛合金块202的上端面分别与三个圆柱形连接杆201的下端面固定配合；第一圆形压磁材料片203的数目为三个；三个第一圆形压磁材料片203的上端面中央分别与三个第一圆柱形钛合金块202的下端面固定；第二圆柱形钛合金块204的数目为三个；三个第二圆柱形钛合金块204的上端面分别与三个第一圆形压磁材料片203的下端面中央固定；第二圆形压磁材料片205的数目为三个；三个第二圆形压磁材料片205的上端面中央分别与三个第二圆柱形钛合金块204的下端面固定；第三圆柱形钛合金块206的数目为三个；三个第三圆柱形钛合金块206的上端面分别与三个第二圆形压磁材料片205的下端面中央固定；三个第三圆柱形钛合金块206的下端面均为中间高四周低的环形阶梯面；复合变幅杆207的数目为三个；三个复合变幅杆207的上端面均为中间低四周高的环形阶梯面；三个复合变幅杆207的上端面分别与三个第三圆柱形钛合金块206的下端面固定配合。

所述纵向振动超声振子还包括若干个圆环形应变片式无线压力传感器120；圆环形应变片式无线压力传感器120的数目与碟形弹簧104的数目一致；各个圆环形应变片式无线压力传感器120一一对应地套设于各个预应力螺栓103上，且各个圆环形应变片式无线压力传感器120一一对应地位于各个第一沉头孔的头部；各个圆环形应变片式无线压力传感器120一一对应地位于各个碟形弹簧104的下方。

圆形上端盖101的密度大于圆形下端盖102的密度。

具体实施时，所述圆形上端盖101采用45钢或304不锈钢或40cr钢制成；所述圆形下端盖102采用机械硬铝或航空铝或钛合金制成；所述预应力螺栓103采用高强度预应力螺栓；所述碟形弹簧104采用组合式碟形弹簧；所述第一圆形隔声环106、第二圆形隔声环107均采用聚氨酯制成；所述圆形吸热绝缘垫111采用树脂橡胶制成；所述圆形电极片113、条形电极片114、v形电极片115均采用磷青铜或铍青铜制成；所述高分子去耦材料为聚氨酚去耦材料；所述外螺纹为美制密封管螺纹。