[发明专利]一种医用超声换能器预应力测量方法

说明书

本发明公开了一种医用超声换能器预应力测量方法，基于压电效应，在超声换能器两端并联一个电容量远高于压电陶瓷静态电容的电容器，再根据直流电压表测量的电容器两端的电压值来算出预应力的大小。与现有技术相比，具有设计简单、结构紧凑、测量精度高、适用范围广等优点，能很好的满足压电陶瓷换能器的需求，很适合用于测试超声换能器的预应力。

技术领域

本发明涉及超声换能器预应力测量领域，尤其涉及一种医用超声换能器预应力测量方法。

背景技术

超声波是指频率大于20KHz以上的声波，因其方向性好，穿透力强，已被广泛应用于超声刀手术、超声波雾化、B超检查、超声波制药等诸多医学领域。相较于传统手术，超声刀手术具有切割精度高、创伤范围小、凝血效果佳、视野更加清晰、手术时间大幅缩短、术后恢复快等优点，给医生和患者都带来了巨大好处。

超声手术刀设备主要由高频功率源和超声振动系统两部分组成。超声振动系统又包括三个部分：超声换能器、超声变幅杆、超声刀刀头。其中，超声换能器是进行能量转换的器件，它可以将超声波发生器产生的振荡电信号转换成机械振动信号，即把电能转化成机械能。换能器主要由前盖板(含变幅杆)、压电陶瓷片、电极片、后盖板和螺栓等组成。由于压电陶瓷的抗张强度远小于抗压强度，长时间工作在反复交变的应力作用下会导致疲劳破坏。因此，通过螺栓给压电陶瓷施加一定的预应力，能够使其始终工作在受压状态而不至于损坏。而预应力要施加适当，若预应力过低，结合面处接触刚度下降，不同材料的界面损耗增加，机械阻抗增加，机电转换效率下降；若预应力过高，会引起压电材料的性能产生不可逆的变化，即退极化。在实际应用中，通过螺栓对压电陶瓷片施加的预应力不同，压电陶瓷的动态应力幅值不同，而且换能器的其他一些性能参数也不同，为使换能器的性能达到最佳，有必要在换能器装配预紧时对预应力进行监测。故如何准确测量施加的预应力是亟需解决的问题。目前，常用的换能器预应力测试方法是采用力矩扳手和测力传感器。但这两种方法通常对换能器的结构尺寸有要求，或者需要设计相应的夹具，使用起来不方便，同时力矩和压力的关系在很大程度上取决于元件表面光洁度，测试方法比较粗糙，精度不佳。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，提供一种医用超声换能器预应力测量方法，基于压电效应，利用并联电容器法来测试超声换能器的预应力，具有设计简单、测量精度高、适用范围广等特点，克服了现有预应力测量工艺的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种医用超声换能器预应力测量方法，包括以下步骤：

S1：在待测超声换能器的两端并联一个电容器，且所述电容器的电容量C至少为待测超声换能器中压电陶瓷片静态电容的50倍；

S2：利用电压表测量电容器两端的电压U；

S3：通过下式计算预应力值T：

其中，Q为电容器的电荷量，且Q＝C*U，S为压电陶瓷片的截面积，n为压电陶瓷片的片数，d₃₃为压电陶瓷片的压电常数。

作为优选方案，本发明一种医用超声换能器预应力测量方法，在步骤S1之前还包括：

装配待测超声换能器：首先采用环氧树脂将经过表面处理的极化后压电陶瓷片、镀银电极片、前金属盖板及后金属盖板之间胶合，然后用螺栓将以上各部件固定在一起，且使同轴度在0.02mm以内，最后进行老化处理得到待测超声换能器。

作为优选方案，本发明一种医用超声换能器预应力测量方法，所述表面处理包括：

对压电陶瓷片表面进行研磨和精密抛光，使其粗糙度Ra≤500nm。

作为优选方案，本发明一种医用超声换能器预应力的测量方法，所述老化处理包括：

将超声换能器置于热处理炉中，在90℃～110℃保温12～24h。