一种有负载情况下测定功率超声设备输出振幅的方法

摘要

本发明公开了一种有负载情况下测定功率超声设备输出振幅的方法，具体方法如下，标记工具头振幅输出端面上任意一个点a作为被测量点；将功率超声设备空载开机，使用激光测振仪测量工具头上点a的振幅，记录为A1；同时读取振动传感器的振动频率幅值，记录为R1；然后让功率超声设备在要求的负载下工作，同时读取振动传感器的振动频率幅值，记录为R2；将测得的数值带入公式：A1/R1＝A2/R2，求得A2，即被测点在负载下的振幅。该方法可以准确测量有负载情况下的功率超声设备的输出振幅。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种测试方法，具体讲是涉及一种有负载情况下测定功率超声 设备输出振幅的方法。

背景技术：

功率超声设备是一种高频的振动设备，其将高频的电压、电流转换成高频 振动并输出。一般来说功率超声设备包含换能器、变幅杆、模具。这几者相互 连接，协同工作。

功率超声设备是工作在设备的谐振频率上，频率在工作中变化极小，因此 功率超声设备的输出功率就与振幅直接有关。输出的振幅越大，输出功率就越 大，输出振幅越小，输出功率就越小。

功率超声设备，如超声焊接设备，超声切割设备等，一般有两种工作状态， 分别是空载振动和负载振动。空载振动指的是，功率超声设备工具头的振幅输 出端面不接触负载，仅在空气中进行振动。负载振动指的是，功率超声设备工 具头的振幅输出端面，对液体或者固体振动做功。当在负载振动的情况下，功 率超声设备的输出振幅直接决定了功率超声设备的输出功率。因此，有负载情 况下，功率超声设备的输出振幅测定就变的非常重要。

测量功率超声设备的输出振幅一直是功率超声领域的难题。由于功率超声 设备的特点是频率高(一般在20kHz以上)，振幅小(一般为1-200μm之间)。 这样的振动形式给测量造成了较大的难度。但在空载情况下，目前已经有了较 为成熟的功率超声设备的振幅测定方法，主要有激光干涉测量法以及机械千分 表测定法。

首先，以激光干涉测量法为例，首先需要一台激光测量设备，该设备发出 一束激光到被测的振动点，通过激光干涉的原理得出被测量点的振动干涉时域 信号，并反馈到该设备中，设备将振动干涉时域信号输出到示波器上，通过换 算最终可以得到被测点的振幅数值。其测量精度可以达到0.01μm，且准确度极 高。但这样的测量存在以下两个问题

1.我们的目的是测量功率超声设备振幅输出面的振幅，因此被测点一般都在输 出面上。在有负载情况下，被测点往往与液体或固体直接接触。激光就无法 再这样的情况下进行测量，也就无法进行有负载情况下的振幅测量。

2.激光干涉测量法使用的设备昂贵，且容易损坏，测量的过程也非常繁琐，目 前还无法大规模的推广。

再者，以千分表测量法为例，首先将一个数显千分表固定在支架上。将该 千分表的顶针顶在被测点上，并处于被压缩的状态。在这种状态下，将数显千 分表显示数值置零，然后功率超声设备开机空载振动，由于超声振动是一种高 频振动，在这种振动作用下，千分表顶针会处于被测点的最大振幅位置，此时 千分表会显示一个数值，该数值即为被测点的振幅(半峰值)。这种测量方法简 单，方便，但其精度约为1μm。但依然存在与激光干涉测量法一样的问题，就 是无法在有负载情况下测量被测点振幅。因为在负载情况下，被测点往往与液 体或固体直接接触。千分表顶针就无法再这样的情况下进行测量，也就无法进 行有负载情况下的振幅测量。

以上两种测量方式均可以满足功率超声设备在空载情况下的振幅测量，且 各有利弊，但都无法满足在有负载情况下的振幅测量。有负载情况下的功率超 声设备振幅测量，目前依然是功率超声领域的一个难题。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种有负载情况下测定功率超声设备 输出振幅的方法，该方法可以满足在有负载情况下的振幅测量。

本发明的技术解决方案是，提供一种有负载情况下测定功率超声设备输出振 幅的方法，功率超声设备包括换能器、变幅杆和工具头，还包括振动传感器， 振动传感器固定于换能器或者变幅杆上，有负载情况下测定功率超声设备输出 振幅的方法如下，

标记工具头振幅输出端面上任意一个点a作为被测量点；

将功率超声设备空载开机，测量工具头上点a的振幅，记录为A1；

同时读取振动传感器的振动频率幅值，记录为R1；

然后让功率超声设备在要求的负载下工作，同时读取振动传感器的振动频率 幅值，记录为R2；

将测得的数值带入公式：A1/R1＝A2/R2，求得A2，即被测点在负载下的振幅， 公式中的A1表示空载时被测点的振幅，R1表示空载时所测频率的幅值，A2表 示负载时被测点的振幅，R2表示负载时所测频率的幅值。

采用以上方案，本发明通过振动传感器作为一种检测手段，利用不同振动 模态的线性关系间接求得被测点的振幅，获得了一种在负载情况下测量被测点 振幅的方法，同时，利用了信号的频率域检测方法，直接获得所测量频率的频 谱幅值，解决了时域信号不稳定，无不易读取的问题，从而使测量更加准确。

作为优选，使用激光测振仪测量工具头上点a的振幅，使用频谱仪读取振 动传感器的振动频率幅值。

作为优选，所述振动传感器为压电式传感器。采用质量小、灵敏度高的压 电片式传感器，读取效果良好。

进一步的，所述振动传感器粘接于换能器或者变幅杆的侧面或底面。粘接 方式既可以一次使用，也可以重复使用。

附图说明

附图为本发明的一个实施例的设备示意图。

具体实施方式：

下面就具体实施例对本发明作进一步说明：

一种有负载情况下测定功率超声设备输出振幅的方法，如图示，功率超声设 备包括换能器1、变幅杆2和工具头3，检测设备包括激光测振仪4和频谱仪5， 还包括振动传感器6，振动传感器6固定于换能器1或者变幅杆2的侧面，振动 传感器6与频谱仪5电连接，有负载情况下测定功率超声设备输出振幅的方法 如下，

标记工具头3振幅输出端面上任意一个点a作为被测量点；

将功率超声设备空载开机，使用激光测振仪4测量工具头上点a的振幅，记 录为A1；

同时读取频谱仪5上振动传感器6的超声振动频率幅值，记录为R1；

然后让功率超声设备在要求的负载下工作，同时读取频谱仪4上振动传感器 6的超声振动频率幅值，记录为R2；

将测得的数值带入公式：A1/R1＝A2/R2，求得A2，即被测点在负载下的振幅， 公式中的A1表示空载时被测点的振幅，R1表示空载时频谱仪4上所测频率的幅 值，A2表示负载时被测点的振幅，R2表示负载时频谱仪上所测频率的幅值。

具体地说，将振动传感器6固定在功率超声设备中换能器2或变幅杆3的 侧面，该振动传感器6将功率超声设备工作时的侧面振动转化为电信号输出。 由于一般功率超声设备为纵向振动设备，其侧面振动及其微小，因此要求该振 动传感器6体积小，灵敏度高，本实施例采用压电式传感器。频谱仪4与振动 传感器6相连接，将振动传感器6输出的时域信号转化为频域信号，并进行记 录和读取。

众所周知，功率功率超声设备是一种工作在设备谐振频率上的声学设备。 在工作时，其工作频率是几乎固定不变的，因此其输出的振动是一种标准的简 谐振动，振动过程中没有其他频率成分，也是一种单频率的振动。在时域谱上， 这样的振动图像是标准的正弦函数(不考虑具体相位)；而在频域谱上，这样的 振动图像是一个脉冲函数，脉冲的幅值与振动振幅成正比。因此在功率超声设 备振动时，与振动传感器相连的频谱仪上所读取的图像即为一个脉冲函数。

当功率超声设备空载振动时，由于没有其他介质的影响，振动传感器上检 测到的即为单频的超声振动信号，时域谱上是一个标准的正弦函数，有着极高 的信噪比；频域谱上是一个单脉冲函数，脉冲函数的位置即为超声振动的频率。 在这样的情况下，我们需要标定两个数据，第一，使用空载测量振幅的手段， 检测出被测点的振幅，记为A1，并记录。第二，在频域谱上，记录这个单脉冲 函数的幅值，并做记录R1。由于超声振动是一个线性形变的振动过程，其纵向 的振动和侧面的形变成正比，因此我们标定的这两组数据也成正比，其比值是 一个常数。

当功率超声设备负载振动时，由于设备直接接触被作用对象，在这个过程 中，被作用对象也会产生振动，这种振动的频率成分是多样的，且会通过功率 超声设备传递到振动传感器上。此时振动传感器上检测到的不是一个简单的单 频振动信号，而是超声振动信号和负载振动信号的叠加。这样的信号在时域谱 上，类似于正弦函数，但信噪比较低，无法时域上较好的分辨。而这样的信号 在频域谱上，我们依然会看到一个主脉冲，也就是超声振动频率，但同时也会 看到其他频率成分的脉冲信号。由于其他的脉冲信号与主脉冲信号是不耦合的， 因此主脉冲信号的频率和幅值，就可以代表功率超声设备的振动情况，记录幅 值为R2。如前所述，由于振动信号在频谱上的脉冲幅值与被测点振幅成正比， 因此可以得到如下公式：A1/R1＝A2/R2。公式中的A1表示空载时被测点的振幅， R1表示空载时频谱仪上所测频率的幅值，A2表示负载时被测点的振幅，R2表示 负载时频谱仪上所测频率的幅值。由于A1、R1、R2均已知，就可以求得负载时 的振幅A2。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限 制。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，如激 光测振仪替换为千分表振幅测量仪均包括在本发明的专利保护范围之内。