超声波电动机的工作原理

微特电机课程论文

超声波电动机

学 院: 专业班级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 日 期：

摘要：超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置 。

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。

超声波电动机的不同命名：如振动电动机

微特电机课程论文

超声波电动机

学 院: 专业班级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 日 期：

摘要：超声波电机是一个机电耦合系统，涉及到振动学、摩擦学、材料学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等。超声波电动机利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，是一项跨学科的高新技术。近几年来超声波电动机已成为国内外在微型电机方面的研究热点。超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置 。

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应——在交变电场作用下，陶瓷会产生伸缩的现象——直接将电能转变成机械能，这种电机的工作频率一般在20kHz以上，故称为压电超声波电机。

超声波电动机的不同命名：如振动电动机

超声波清洗的原理

由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械震动而传播到介质--清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。相比其它多种的清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性。尤其在专业化，集团化的生产企业中，已逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、刷洗、压力冲洗、气相清洗和蒸气冲洗等工艺方法。超声波清洗机的高效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波。所以很容易将带有复杂外形、内腔和细空的零部件清洗干净，对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准。这在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，用其它处理方法难以达到目的，更突出地显示了超声清洗、超声处理的优越性和其不可取代的地位。

超声波清洗的作用机理主要有以

超声波测距原理:

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1

超声波原理图

超声波发射电路图

超声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U1C与U1E并联组成一级）后送到超声波换能器的一个电极（T1的1脚）；另一路经两级反相器（U1D为第一级，U1B和U1A组成第二级）后送到超声波换能器的另一个电极（T1的2脚）。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1,R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果。

超声波接收电路图

超声波原理图

超声波接收电路原理图如图所示，CX20106A是一款红外检测波接收 的专业芯片，常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减小了生产调试的麻烦。当CX20106A接收到40KHZ的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能

◆超声波常识：

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因。

◆基本原理：

超声波清洗机之所以能够起到清洗污垢的作用，其过程是由下列引起的：空化、声流、声的辐射压力和声学毛细效应。

在清洗过程中，不洁物的表面会产生表面污垢膜的破坏、剥落、分离以及乳化、溶解等现象。不

2超声波及超声检测原理 2. 1超声波的基本性质

通常人耳能听到声音的频率范围在20}20KHz之间，把超过20KHz的声波称为超声波。超声波在本质上是一种机械波，所以它的产生必须依赖两个条件，一是有机械振动的声源，二是有能够传播振动的弹性介质。

波的种类是根据介质质点的震动方向和波动传播方向的关系来区分的。超声波在介质中传播的波形有许多种，有纵波、横波、表面波等。

2.1.1超声场的特征量

充满超声波的空间叫做超声场。声压、声强度、声阻抗是描述超声场特征的几个重要物理量。

a.声压

超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时的静态压强之差被称为声压，常用P表示，单位为帕。超声波在介质中传播时，介质中每一点的声压随着时间t、距离x而变化，其公式为:

xp??Awpsinw(t?)?pcvc

式中P为介质的密度、必为介质的角频率C为超声波在介质中的波速，

v为介质质点的振动速度。可见声压的绝对值与波速以及角频率成正比。

b.声强度

在垂直于超声波方向上的单位面积内通过的声能量被称为声强度，也 称声强。

式中A为超声波的振幅。从公式可见声强与质点振动的位移振幅的平方成正比，与质点振动的角

超声波发生器的原理

超声波发生器，通常称为超声波发生源，超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。

发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；1OOKHz或以上现在尚未大量使用。但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会逐步扩大。

比较完善的超声波发生器还应有反馈环节，主要提供二个方面的反馈信号：第一个是提供输出功率信号，我们知道当发生器的供电电源（电压）发生变化时。发生器的输出功率也会发生变化，这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致清洗效果不稳定。因此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定

东莞协和超声波焊接机原理

Ⅰ、超声波塑料焊接机基本信息

东莞协和超声波塑料焊接机（Ultrasonic plastic welding machine）就是使用超声波熔接技术，对各种热塑性胶件进行焊接处理加工的焊接机器。

在焊接塑料制品时，既不要添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。因此，超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。

东莞协和超声波塑料焊接机类型有：超声波塑焊机、超声波塑料点焊机、塑料玩具焊接机、PP塑料焊接机、ABS塑料焊接机、塑料瓶盖焊接机、电脑键盘焊接机、中空板焊接机、电源适配器焊接机等。

Ⅱ、超声波塑料焊接机工作原理

当超声波作用于热塑性的塑料件接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所

东莞协和超声波焊接机原理

Ⅰ、超声波塑料焊接机基本信息

东莞协和超声波塑料焊接机（Ultrasonic plastic welding machine）就是使用超声波熔接技术，对各种热塑性胶件进行焊接处理加工的焊接机器。

在焊接塑料制品时，既不要添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。因此，超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。

东莞协和超声波塑料焊接机类型有：超声波塑焊机、超声波塑料点焊机、塑料玩具焊接机、PP塑料焊接机、ABS塑料焊接机、塑料瓶盖焊接机、电脑键盘焊接机、中空板焊接机、电源适配器焊接机等。

Ⅱ、超声波塑料焊接机工作原理

当超声波作用于热塑性的塑料件接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波塑料焊接的好坏取决于换能器焊头的振幅，所