后處理溫度對超聲換能器振動特性影響試驗研究

丁 博，左勇魁，張成玉，張 萌

（1.河南駝人醫療器械集團有限公司，河南 長垣 453400；2.河南省醫用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南 長垣 453400）

在現如今的外科手術中，病患對術后的創傷程度及愈合速度提出了更高的要求，由此微創手術應運而生。超聲外科手術作為最常見的微創手術，在外科手術領域中具有舉足輕重的作用。超聲手術刀是一種具有術中可控制出血、對切割附近組織傷害小、術后愈合較快以及手術精度高等優點的微創外科手術器械，被廣泛應用于白內障乳化、肝膽腫瘤吸引和切割凝血等手術中[1]。超聲手術刀設備主要由手術刀頭、手持裝置、換能器、超聲刀主機和腳踏開關等組成，其中最關鍵的能量轉換裝置就是換能器。

換能器是一種將電能與機械能互相轉換的裝置，按照能量轉換的機理和所用的換能材料，可分為電磁聲換能器、靜電換能器、機械型超聲換能器、磁致伸縮換能器以及壓電換能器等。其中，壓電換能器具有易于加工、成本低廉和能量轉換率高等優點，因此被廣泛應用于微創外科手術。壓電換能器主要由預緊螺栓、壓電陶瓷片、電極片、變幅桿和連接螺栓組成。換能器在工作時，壓電陶瓷片將超聲刀主機輸入的電流轉換為機械振動，振動傳遞至變幅桿時振幅將會被放大，被放大后的振動通過連接螺栓傳遞至刀頭，實現切割和凝血的效果。

影響換能器性能的因素有很多，如壓電陶瓷的性能、變幅桿的形狀及尺寸、零件接觸面的清潔度、換能器組裝時的預緊力和換能器組裝后的后處理溫度等。本文主要研究對象為一種頻率為55.5 kHz的高頻壓電式換能器，在組裝后不同后處理溫度對該換能器的振動特性的影響。

1 高頻壓電式換能器結構

高頻壓電式換能器結構如圖1所示，主要由預緊螺栓、后蓋板、壓電陶瓷片、電極片、絕緣套管、變幅桿和連接螺栓構成。

圖1 高頻壓電式換能器結構示意圖

預緊螺栓主要用于在組裝換能器時對壓電陶瓷片施加預緊力，材料為鈦合金，鈦合金具有密度低，耐磨損和強度高等優點，制作預緊螺栓可以承受較大的預緊力。后蓋板主要為了使振動盡可能沿著一個方向傳遞，因此后蓋板材料應該選擇聲阻抗大的材料——304不銹鋼，304不銹鋼具有耐腐蝕、耐磨損、不易生銹以及聲阻抗大等優點，適用于換能器這種對材料表面要求較高的精密器械。壓電陶瓷片使用的是高性能PZT壓電陶瓷，能量轉換率較高。絕緣套管將預緊螺栓和壓電陶瓷片隔開，其使用的材料為聚乙烯，聚乙烯在常溫下化學穩定性好、電絕緣性優良，因此可用于制作絕緣零件。電極片使用銅材料制作；變幅桿采用懸鏈線型變幅桿，懸鏈線型變幅桿具有工作穩定性高、彎曲勁度高、不發生應力集中及易于加工的優點。

2 測試儀器及方法

2.1 換能器組裝及性能測試

組裝后的換能器實物如圖2所示。

圖2 換能器實物圖

在換能器組裝前，首先要將電極片引出點焊接兩根導線引出備用，其次將所有零件用紗布清潔表面污漬，然后開始預組裝。預組裝時，將預緊螺栓、絕緣套管、壓電陶瓷片和電極片套在一起，通過預緊螺栓固定在變幅桿上。當預組裝完成后，將預組裝換能器放置在工裝夾具上，使用扭力扳手對換能器施加預緊力。根據劉煒在預緊力對超聲換能系統振動特性影響規律的研究結論[2]中所述，預緊力大小對換能器的頻率和最大位移有影響，換能器的基頻隨預緊力的增大呈現出先增大后減小的趨勢。因此本文中研究的換能器預緊力為70 MPa。施加預設的預緊力后，使用超聲波阻抗測試儀測試換能器后處理前的性能。

測試換能器的阻抗、電感等數據使用的是超聲波阻抗分析儀，測試儀器實物如圖3所示。該儀器可以測量換能器的工作頻率、動態阻抗、電感、機械品質、動態電容和機電耦合系數等參數，儀器主界面也可顯示出導納圓，通過導納圓圖可直觀判斷出變幅桿的設計、加工和裝配，是否合理或有缺陷。測試完畢后開始換能器的后處理，待后處理結束后，使用阻抗分析儀檢查換能器的狀態，準備測試振動特性。

圖3 超聲波阻抗分析儀

2.2 換能器振動特性測試儀器及連接方式

經過處理的換能器電性能測試完畢后，開始測試換能器的振動特性。如今常見的測量物體振幅的方法主要有：機械、電學和光學三種測量方法，其中機械方法較為古老，精度不高；電學測量法主要使用傳感器進行測量，測量成本低廉，靈敏度高；光學測量相比于電學具有無接觸、無附加質量效應兩個優點，且比電學測量精度更高[3]。如果波的接收器固定不動，但波源相對波的接收器具有相對運動，那么波的接收器收到波的頻率將會隨著波源的相對運動速度變化，這種現象稱為多普勒頻移效應，激光多普勒測振技術的原理即為多普勒頻移效應。激光多普勒測振技術與傳統的位移器相比，具有測量距離范圍大、空間分辨率高、響應快、精度高和非接觸式測量等優點，在醫學領域、工業檢測和流體力學等領域廣泛應用[4]。因此本文中測試方法選用的是激光多普勒測振技術。

測試換能器機械性能的主要設備包括：光纖激光多普勒測振儀、計算機、桌面便攜夾具、超聲刀主機、三腳架、腳踏開關、超聲刀刀頭、測試棒和扭力扳手。具體連接方式如圖4所示。

圖4 儀器連接示意圖

光纖激光多普勒測振儀實物如圖5所示，是以多普勒效應為核心的一種激光測量儀，利用光射到運動物體上產生的多普勒效應，并使用光外差技術和信號處理方法來測量被測運動物體振幅[5]。該測振儀需搭配其附送軟件使用，測振儀將被測運動物的振幅信號轉換為指定信號后通過光纖把信號輸出至計算機中并顯示。

圖5 光纖激光多普勒測振儀

2.3 振動特性測試步驟

詳細測試步驟如下：

（1）打開光纖激光多普勒測振儀、計算機和超聲刀主機的電源。

（2）打開三腳架，將激光測振儀的光學鏡頭固定于三腳架上端。

（3）連接換能器和超聲刀主機，將測試棒安裝在換能器的連接螺栓上。

（4）調整桌面便攜夾具的位置及角度，把換能器固定在夾具上，踩腳踏開關使超聲刀主機開始檢測。

（5）打開計算機中的測試軟件，設置好參數后開始示波。

（6）調整三腳架位置和高度后，開始調整光學鏡頭的焦距，使用三腳架上方的調節旋鈕使焦點定位于測試棒頂端靠近外側區域，同時觀察測振儀上顯示的信號強度，需使信號強度盡量達到滿格。

（7）踩腳踏開關開始測試，邊測試邊記錄測試數據。

（8）測試完畢后，將換能器拆除，安裝上超聲刀頭，重新調整焦距和焦點位置，再次測試并記錄數據。

（9）測試完畢后，斷開全部電源，拆除全部連接線，收回全部設備。

3 測試數據分析

3.1 后處理溫度對換能器帶測試棒振動的影響

圖6為后處理溫度對測試棒振動的影響數據，從圖中可以看出，溫度達到80～110℃時，測試棒的最小與最大振幅均增大；當溫度超過120℃時，測試棒的振幅減小；在80～90℃時，測試棒的最大最小振幅之差最大；當溫度超過100℃時，差值逐漸變小，溫度達到120℃時差值再次變大。因此后處理溫度應在100～110℃之間。

3.2 后處理溫度對換能器帶超聲刀頭振動的影響

圖7為后處理溫度對換能器帶超聲刀頭振動的影響，從圖中可以看出，后處理溫度達到80℃及110℃時，超聲刀頭的振幅最大，當溫度超過110℃時，最大最小振幅數值均逐漸變小；溫度達到120℃時，超聲刀頭的最大最小振幅出現大幅下降，同時結合圖6可知，后處理溫度對超聲刀頭振動的影響規律與對測試棒的影響相似。因此熱處理溫度宜選擇100～110℃之間。

圖6 后處理溫度對測試棒振動的影響

圖7 后處理溫度對超聲刀頭振動的影響

4 結論

為了探究后處理溫度對換能器振動特性的影響，本文使用超聲波阻抗分析儀測試了換能器后處理后的基本狀態，使用超聲多普勒測振儀測試了后處理后的換能器振動特性，探究了后處理對換能器振動特性的影響。根據測試結果，后處理對換能器的振動特性具有一定的增大作用，但不同后處理溫度對換能器具有不同影響。后處理溫度處于80～110℃時，超聲刀頭和測試棒的綜合振幅持續增大，當后處理溫度超過110℃時，超聲刀頭和測試棒的綜合振幅出現大幅下降。對于本文換能器，最佳后處理溫度為100～110℃。結果表明，后處理溫度對換能器具有非線性影響，后處理溫度不宜過高，測試結果對換能器的設計具有一定的指導作用。