后处理温度对超声换能器振动特性影响试验研究

丁 博，左勇魁，张成玉，张 萌

（1.河南驼人医疗器械集团有限公司，河南 长垣 453400；2.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南 长垣 453400）

在现如今的外科手术中，病患对术后的创伤程度及愈合速度提出了更高的要求，由此微创手术应运而生。超声外科手术作为最常见的微创手术，在外科手术领域中具有举足轻重的作用。超声手术刀是一种具有术中可控制出血、对切割附近组织伤害小、术后愈合较快以及手术精度高等优点的微创外科手术器械，被广泛应用于白内障乳化、肝胆肿瘤吸引和切割凝血等手术中[1]。超声手术刀设备主要由手术刀头、手持装置、换能器、超声刀主机和脚踏开关等组成，其中最关键的能量转换装置就是换能器。

换能器是一种将电能与机械能互相转换的装置，按照能量转换的机理和所用的换能材料，可分为电磁声换能器、静电换能器、机械型超声换能器、磁致伸缩换能器以及压电换能器等。其中，压电换能器具有易于加工、成本低廉和能量转换率高等优点，因此被广泛应用于微创外科手术。压电换能器主要由预紧螺栓、压电陶瓷片、电极片、变幅杆和连接螺栓组成。换能器在工作时，压电陶瓷片将超声刀主机输入的电流转换为机械振动，振动传递至变幅杆时振幅将会被放大，被放大后的振动通过连接螺栓传递至刀头，实现切割和凝血的效果。

影响换能器性能的因素有很多，如压电陶瓷的性能、变幅杆的形状及尺寸、零件接触面的清洁度、换能器组装时的预紧力和换能器组装后的后处理温度等。本文主要研究对象为一种频率为55.5 kHz的高频压电式换能器，在组装后不同后处理温度对该换能器的振动特性的影响。

1 高频压电式换能器结构

高频压电式换能器结构如图1所示，主要由预紧螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、绝缘套管、变幅杆和连接螺栓构成。

图1 高频压电式换能器结构示意图

预紧螺栓主要用于在组装换能器时对压电陶瓷片施加预紧力，材料为钛合金，钛合金具有密度低，耐磨损和强度高等优点，制作预紧螺栓可以承受较大的预紧力。后盖板主要为了使振动尽可能沿着一个方向传递，因此后盖板材料应该选择声阻抗大的材料——304不锈钢，304不锈钢具有耐腐蚀、耐磨损、不易生锈以及声阻抗大等优点，适用于换能器这种对材料表面要求较高的精密器械。压电陶瓷片使用的是高性能PZT压电陶瓷，能量转换率较高。绝缘套管将预紧螺栓和压电陶瓷片隔开，其使用的材料为聚乙烯，聚乙烯在常温下化学稳定性好、电绝缘性优良，因此可用于制作绝缘零件。电极片使用铜材料制作；变幅杆采用悬链线型变幅杆，悬链线型变幅杆具有工作稳定性高、弯曲劲度高、不发生应力集中及易于加工的优点。

2 测试仪器及方法

2.1 换能器组装及性能测试

组装后的换能器实物如图2所示。

图2 换能器实物图

在换能器组装前，首先要将电极片引出点焊接两根导线引出备用，其次将所有零件用纱布清洁表面污渍，然后开始预组装。预组装时，将预紧螺栓、绝缘套管、压电陶瓷片和电极片套在一起，通过预紧螺栓固定在变幅杆上。当预组装完成后，将预组装换能器放置在工装夹具上，使用扭力扳手对换能器施加预紧力。根据刘炜在预紧力对超声换能系统振动特性影响规律的研究结论[2]中所述，预紧力大小对换能器的频率和最大位移有影响，换能器的基频随预紧力的增大呈现出先增大后减小的趋势。因此本文中研究的换能器预紧力为70 MPa。施加预设的预紧力后，使用超声波阻抗测试仪测试换能器后处理前的性能。

测试换能器的阻抗、电感等数据使用的是超声波阻抗分析仪，测试仪器实物如图3所示。该仪器可以测量换能器的工作频率、动态阻抗、电感、机械品质、动态电容和机电耦合系数等参数，仪器主界面也可显示出导纳圆，通过导纳圆图可直观判断出变幅杆的设计、加工和装配，是否合理或有缺陷。测试完毕后开始换能器的后处理，待后处理结束后，使用阻抗分析仪检查换能器的状态，准备测试振动特性。

图3 超声波阻抗分析仪

2.2 换能器振动特性测试仪器及连接方式

经过处理的换能器电性能测试完毕后，开始测试换能器的振动特性。如今常见的测量物体振幅的方法主要有：机械、电学和光学三种测量方法，其中机械方法较为古老，精度不高；电学测量法主要使用传感器进行测量，测量成本低廉，灵敏度高；光学测量相比于电学具有无接触、无附加质量效应两个优点，且比电学测量精度更高[3]。如果波的接收器固定不动，但波源相对波的接收器具有相对运动，那么波的接收器收到波的频率将会随着波源的相对运动速度变化，这种现象称为多普勒频移效应，激光多普勒测振技术的原理即为多普勒频移效应。激光多普勒测振技术与传统的位移器相比，具有测量距离范围大、空间分辨率高、响应快、精度高和非接触式测量等优点，在医学领域、工业检测和流体力学等领域广泛应用[4]。因此本文中测试方法选用的是激光多普勒测振技术。

测试换能器机械性能的主要设备包括：光纤激光多普勒测振仪、计算机、桌面便携夹具、超声刀主机、三脚架、脚踏开关、超声刀刀头、测试棒和扭力扳手。具体连接方式如图4所示。

图4 仪器连接示意图

光纤激光多普勒测振仪实物如图5所示，是以多普勒效应为核心的一种激光测量仪，利用光射到运动物体上产生的多普勒效应，并使用光外差技术和信号处理方法来测量被测运动物体振幅[5]。该测振仪需搭配其附送软件使用，测振仪将被测运动物的振幅信号转换为指定信号后通过光纤把信号输出至计算机中并显示。

图5 光纤激光多普勒测振仪

2.3 振动特性测试步骤

详细测试步骤如下：

（1）打开光纤激光多普勒测振仪、计算机和超声刀主机的电源。

（2）打开三脚架，将激光测振仪的光学镜头固定于三脚架上端。

（3）连接换能器和超声刀主机，将测试棒安装在换能器的连接螺栓上。

（4）调整桌面便携夹具的位置及角度，把换能器固定在夹具上，踩脚踏开关使超声刀主机开始检测。

（5）打开计算机中的测试软件，设置好参数后开始示波。

（6）调整三脚架位置和高度后，开始调整光学镜头的焦距，使用三脚架上方的调节旋钮使焦点定位于测试棒顶端靠近外侧区域，同时观察测振仪上显示的信号强度，需使信号强度尽量达到满格。

（7）踩脚踏开关开始测试，边测试边记录测试数据。

（8）测试完毕后，将换能器拆除，安装上超声刀头，重新调整焦距和焦点位置，再次测试并记录数据。

（9）测试完毕后，断开全部电源，拆除全部连接线，收回全部设备。

3 测试数据分析

3.1 后处理温度对换能器带测试棒振动的影响

图6为后处理温度对测试棒振动的影响数据，从图中可以看出，温度达到80～110℃时，测试棒的最小与最大振幅均增大；当温度超过120℃时，测试棒的振幅减小；在80～90℃时，测试棒的最大最小振幅之差最大；当温度超过100℃时，差值逐渐变小，温度达到120℃时差值再次变大。因此后处理温度应在100～110℃之间。

3.2 后处理温度对换能器带超声刀头振动的影响

图7为后处理温度对换能器带超声刀头振动的影响，从图中可以看出，后处理温度达到80℃及110℃时，超声刀头的振幅最大，当温度超过110℃时，最大最小振幅数值均逐渐变小；温度达到120℃时，超声刀头的最大最小振幅出现大幅下降，同时结合图6可知，后处理温度对超声刀头振动的影响规律与对测试棒的影响相似。因此热处理温度宜选择100～110℃之间。

图6 后处理温度对测试棒振动的影响

图7 后处理温度对超声刀头振动的影响

4 结论

为了探究后处理温度对换能器振动特性的影响，本文使用超声波阻抗分析仪测试了换能器后处理后的基本状态，使用超声多普勒测振仪测试了后处理后的换能器振动特性，探究了后处理对换能器振动特性的影响。根据测试结果，后处理对换能器的振动特性具有一定的增大作用，但不同后处理温度对换能器具有不同影响。后处理温度处于80～110℃时，超声刀头和测试棒的综合振幅持续增大，当后处理温度超过110℃时，超声刀头和测试棒的综合振幅出现大幅下降。对于本文换能器，最佳后处理温度为100～110℃。结果表明，后处理温度对换能器具有非线性影响，后处理温度不宜过高，测试结果对换能器的设计具有一定的指导作用。