CN109820568B - 一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法、装置及系统。该方法包括获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。本发明实施例提供的技术方案可以使最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内，且可以获知最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的准确值。

Description

一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法、装置及系统

技术领域

本发明实施例涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法、装置及系统。

背景技术

超声切割止血刀具有热损伤小、误切割几率小以及小焦痂等优势，广泛应用于腹腔镜的肝、胆等微创手术中。其中，超声换能器是整个超声切割止血刀的核心部件，而朗之万夹心式压电换能器由于能够产生较高的电能-机械能的转化效率，因此应用十分广泛。

朗之万夹心式压电换能器中，压电陶瓷晶堆承担着将电能转换为机械能的关键作用，其能够在交流电信号的作用下产生压缩-扩张的机械振动，但是，由于压电陶瓷晶堆本身抗张强度远低于其抗压强度的特性，因此，为了避免压电陶瓷晶堆在伸张状态时的应力高于抗张强度而发生破坏，通常在压电陶瓷晶堆上施加一个轴向预紧力，以使压电陶瓷晶堆在产生轴向机械振动的过程中始终处于压缩状态。预紧力的施加方法通常是利用扭力扳手旋动压电陶瓷晶堆一侧的预紧螺栓，当对预紧螺栓施加的扭矩达到一个预设值后停止即可。

但是，由于螺纹间的摩擦力、螺栓端面和压电陶瓷晶堆间的摩擦力、预紧螺栓的尺寸以及预紧螺栓头部的螺纹尺寸均使得施加在预紧螺栓上的扭矩与施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力之间没有一个确切的对应关系，以致不能准确获知施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的具体值，即不能获知施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力是否达到目标值。

发明内容

本发明提供一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法、装置及系统，以实现最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内，以及获取最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的准确值。

第一方面，本发明实施例提供了一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，该方法包括：

获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；

在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。

可选的，获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力包括：

获取压电陶瓷晶堆在当前预紧力作用下所产生电场的电场强度；

根据压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算压电陶瓷晶堆的当前预紧力。

可选的，在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差包括：

在当前预紧力小于目标预紧力时，判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值；

若是，则以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值；

判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差；

在当前预紧力与目标预紧力的差值大于预设预紧力容差时，更新预设预紧力差值，更新预设扭矩步进增量，并以更新后的预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，从而使当前预紧力与目标预紧力的差值小于更新后的预设预紧力差值；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

其中，更新后的预设预紧力差值为当前预紧力与目标预紧力差值的1/N，更新后的预设扭矩步进增量为更新前的预设扭矩步进增量的1/N；预设预紧力差值的初始值为目标预紧力的1/N，预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/M，M和N均为大于1的正整数，且M大于N；参考施加扭矩是指在合格的压电陶瓷晶堆上施加目标预紧力时，需要施加在预紧螺栓上的扭矩。

可选的，N大于等于2且小于等于6；M大于等于10且小于等于30。

可选的，在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差之后还包括：

获取施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩；

计算实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值；

判断扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内，若是，则认定压电陶瓷晶堆为合格品，若否，则认定压电陶瓷晶堆为不良品。

第二方面，本发明实施例还提供了一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置，该装置包括：当前预紧力获取模块和预紧力增大模块；

预紧力获取模块，用于获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；

预紧力增大模块，用于在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。

可选的，当前预紧力获取模块包括电场强度获取模块和当前预紧力计算模块；

电场强度获取模块，用于获取压电陶瓷晶堆在当前预紧力作用下所产生电场的电场强度；

当前预紧力计算模块，用于根据压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算压电陶瓷晶堆的当前预紧力。

可选的，预紧力增大模块包括：第一判断模块、第一增大模块、第二判断模块和第二增大模块；

第一判断模块，用于在当前预紧力小于目标预紧力时，判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值；

第一增大模块，用于在当前预紧力与目标预紧力的差值大于预设预紧力差值时，以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值；

第二判断模块，用于判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差；

第二增大模块，用于在当前预紧力与目标预紧力的差值大于预设预紧力容差时，更新预设预紧力差值，更新预设扭矩进增量，并以更新后的预设扭矩进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，从而使当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

其中，更新后的预设预紧力差值为当前预紧力与目标预紧力差值的1/N，更新后的预设扭矩步进增量为更新前的预设扭矩步进增量的1/N；预设预紧力差值的初始值为目标预紧力的1/N，预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/M，M和N均为大于1的正整数，且M大于N；参考施加扭矩是指在合格的压电陶瓷晶堆上施加目标预紧力时，需要施加在预紧螺栓上的扭矩。

可选的，N大于等于2且小于等于6；M大于等于10且小于等于30。

可选的，该装置还包括实际施加扭矩获取模块、扭矩差值计算模块、第三判断模块、合格品认定模块和不良品认定模块；

扭矩获取模块，用于获取施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩；

扭矩差值计算模块，用于计算实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值；

第三判断模块，用于判断扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内；

合格品认定模块，用于在扭矩差值在预设扭矩容差范围内时，认定压电陶瓷晶堆为合格品；

不良品认定模块，用于在扭矩差值超出预设扭矩容差范围时，认定压电陶瓷晶堆为不良品。

第三方面，本发明实施例还提供了一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统，该系统包括：电机、中间连接件、采样电路以及控制器，控制器包括第二方面的任一压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置；

控制器分别与采样电路以及电机连接；电机和压电陶瓷超声换能器上的预紧螺栓通过中间连接件连接；采样电路与压电陶瓷超声换能器上的压电陶瓷晶堆中的电极片连接；

中间连接件，用于将电机施加的扭矩传递至预紧螺栓，以对预紧螺栓施加扭矩；

采样电路，用于采集压电陶瓷晶堆中至少一片压电陶瓷两端的电压，并将电压发送至控制器；

控制器在获取到电压后，计算电压对应的至少一片压电陶瓷产生的电场的电场强度，根据压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；在当前预紧力小于目标预紧力时，控制电机通过中间连接件增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

其中，压电陶瓷晶堆在预紧力作用下产生的电场的电场强度与压电陶瓷晶堆中任一片压电陶瓷在预紧力作用下产生的电场的电场强度相同。

本发明实施例提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，通过实时获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力，并在当前预紧力小于目标预紧力时增加施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，以使最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力等于目标预紧力，解决现有技术中只能获知施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩，而无法获知施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的问题，实现最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内，并且能够获取最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的准确值的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法的流程图；

图3是本发明实施例三提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置；

图4本发明实施例四提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统；

图5是本发明实施例四提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统施加预紧力的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法的流程图，本实施例可适用于对朗之万夹心式压电换能器中的压电陶瓷晶堆施加预紧力的情况。具体的，压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法可以由压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置执行，压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置可以通过软件和/或硬件的方式实现，并集成控制器中。

参考图1，该方法具体包括如下步骤：

S110、获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力。

其中，通常在将压电陶瓷晶堆与压电陶瓷超声换能器其他部件进行组装的过程中，完成对压电陶瓷晶堆施加预紧力的步骤，压电陶瓷晶堆的一侧设置有预紧螺栓，通过在预紧螺栓上施加扭矩可以达到在压电陶瓷晶堆上施加预紧力的目的，预紧力就是在拧预紧螺栓过程中预紧螺栓与压电陶瓷晶堆之间产生的沿预紧螺栓轴心线方向的力。

具体的，控制器需要实时获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力，以判断当前预紧力是否小于目标预紧力。

S120、在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。示例性的，预紧力施加过程如下：将预紧力螺栓穿过电极片和压电陶瓷晶堆，并套入压电陶瓷超声换能器的金属前盖，电机分别与控制器以及连接预紧螺栓连接，在当前预紧力小于目标预紧力时，控制器控制电机施加在预紧螺栓上的扭矩连续逐渐增加，进而使得施加在压电陶瓷晶堆上预紧力正向连续增大，直至最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内。可以理解的是，预设预紧力容差可根据实际情况设定，本申请对此不做限定。

本发明实施例提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，通过实时获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力，并在当前预紧力小于目标预紧力时增加施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，以使最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力等于目标预紧力，解决现有技术中只能获知施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩，而无法获知施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的问题，实现最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内，并且能够获取最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的准确值的效果。

继续参照图1，在上述技术方案的基础上，可选的，S120之后还包括：

S130、获取施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩。

其中，通过增大施加在预紧螺栓上的扭矩使施加在压力陶瓷晶堆上的预紧力增大，当施加在压力陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内时，预紧力施加完成，此时，施加在预紧螺栓上的扭矩即为实际施加扭矩。

S140、计算实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值。

其中，参考施加扭矩是指在合格的压电陶瓷晶堆上施加目标预紧力时，需要施加在预紧螺栓上的扭矩。具体的，在对该批次压电陶瓷晶堆安装并施加预紧力之前，需要经过大量实验，实验内容为，获取对合格的压电陶瓷晶堆施加目标预紧力时所需的实际施加扭矩，以获得大量实际施加扭矩，对大量实际施加扭矩进行分析之后(例如取平均值)即可获得参考施加扭矩。

S150、判断扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内，若是，则认定压电陶瓷晶堆为合格品，若否，则认定压电陶瓷晶堆为不良品。

其中，压电陶瓷晶堆是由多个压电陶瓷片堆叠而成，当由于多个压电陶瓷片的平行度不符合要求或者其他因素造成压电陶瓷晶堆为不良品时，扭矩差值通常不在预设扭矩容差范围内。可以理解的是，预设扭矩容差可根据实际情况设定，本申请对此不做限定。

示例性的，当扭矩差值在容差范围内，压电陶瓷晶堆为合格品；当扭矩差值超出容差范围内，压电陶瓷晶堆为不良品，需要旋开预紧螺栓，更换压电陶瓷晶堆。

本发明实施例提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，通过在完成对压电陶瓷晶堆施加预紧力后，立即判断该压电陶瓷晶堆是否为合格品，以便能够在压电陶瓷晶堆为不良品时及时更换新的压电陶瓷晶堆，从而保证组装完成的压电陶瓷超声换能器一定具有合格的压电陶瓷晶堆。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法的流程图，本实施例是在上述实施例的基础上，进行具体化。具体的，参考图2，该方法具体包括如下步骤：

S210、获取压电陶瓷晶堆在当前预紧力作用下所产生电场的电场强度。

其中，压电陶瓷是一种功能性陶瓷，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生形变，这是压电陶瓷的逆压电效应。根据压电陶瓷的正压电效应，在当前预紧力作用下，压电陶瓷晶堆会产生一个电场。

示例性的，采集压电陶瓷晶堆中一片压电陶瓷两端的电压，通过电压比上沿电场强度方向该片压电陶瓷的长度即可获得该片压电陶瓷产生的电场的电场强度。可以理解的是，夹心式压电陶瓷超声换能器中的压电陶瓷堆叠成晶堆时，在机械上是串联的，在电路上是并联的。因此在每片压电陶瓷所受的预紧力相同的情况下，每片压电陶瓷受预紧力作用时产生的电压相等，即每片压电陶瓷产生的电场强度是一致的，同时，压电陶瓷晶堆两端电压等于任一片压电陶瓷两端电压。因此，本领域技术人员可根据实际情况，采集压电陶瓷晶堆中任一片压电陶瓷两端的电压即可。

S220、根据压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算压电陶瓷晶堆的当前预紧力。

其中，在对该批次压电陶瓷晶堆安装并施加预紧力之前，需要进行大量实验，实验内容为，在逐渐增大施加在压电陶瓷晶堆两端的预紧力时，对应采集压电陶瓷晶堆两端的电压，并计算压电陶瓷晶堆两端的电压所产生的电场的电场强度，从而获得该批次压电陶瓷晶堆的预紧力和电场强度之间的一一对应关系，通过该对应关系便可计算压电陶瓷晶堆的当前预紧力。需要注意的是，在实验过程中，预紧力必须逐步增加，不能减小或中断以免压电陶瓷晶堆两端产生的瞬时电场消失。

S230、在当前预紧力小于目标预紧力时，判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值。

S240、若是，则以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值。

其中，对压电陶瓷晶堆施加预紧力是一个正向且连续的过程，即预紧力需要从小到大逐渐增加，不能减小或者中断施加预紧力。若为了提高预紧力增加速度而将预设扭矩步进增量设置的较大，很可能导致当前预紧力突然超出目标预紧力，且当前预紧力与目标预紧力的差值超出预设容差范围；若为了避免当前预紧力突然大幅度超出目标预紧力而将预设扭矩步进增量设置的较小，则施加预紧力的过程需要耗费很长的时间。为了解决上述问题，预紧力增大过程可分阶段进行，不同预紧力增加阶段的预设扭矩步进增量不同，总体来看，每进入下一个预紧力增加阶段，预设扭矩步进增量需要相应减小。

具体的，在每个阶段，具有该阶段对应的预设扭矩步进增量和预设预紧力差值，控制器控制电机以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，从而增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值，至此完成该阶段的预紧力增加任务。

S250、判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差。

具体的，每当完成一个阶段的预紧力增大任务后，控制器便检测当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差，若不大于预设预紧力容差，则表明预紧力施加完成；若大于预设预紧力容差，则表明仍需继续增大当前预紧力，需要进入下一个预紧力增加阶段。

S260、在当前预紧力与目标预紧力的差值大于预设预紧力容差时，更新预设预紧力差值，更新预设扭矩步进增量，并以更新后的预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，从而使当前预紧力与目标预紧力的差值小于更新后的预设预紧力差值；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。

其中，更新后的预设预紧力差值为当前预紧力与目标预紧力差值的1/N，更新后的预设扭矩步进增量为更新前的预设扭矩步进增量的1/N。预设预紧力差值的初始值为目标预紧力的1/N，预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/M，M和N均为大于1的正整数，且M大于N。可选的，N大于等于2且小于等于6；M大于等于10且小于等于30。

本发明实施例提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，通过逐步减小预设扭矩步进增量，使得在当前预紧力与目标预紧力相差较远时，预紧力增幅较大，以快速增加预紧力；在当前预紧力接近目标预紧力相差较小时，预紧力增幅较小，以免当前预紧力突然大幅度超过目标预紧力，导致当前预紧力与目标预紧力的差值超过预设预紧力容差。

实施例三

图3是本发明实施例三提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置，该装置包括：当前预紧力获取模块310和预紧力增大模块320。

预紧力获取模块310，用于获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；

预紧力增大模块320，用于在当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。

本发明实施例提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置，通过预紧力获取模块310实时获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力，预紧力增大模块320在当前预紧力小于目标预紧力时增加施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，以使最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力等于目标预紧力，解决现有技术中只能获知施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩，而无法获知施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的问题，实现最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力与目标预紧力的差值在预设预紧力容差范围内，并且能够获取最终施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力的准确值的效果。

在上述技术方案的基础上，可选的，当前预紧力获取模块310包括电场强度获取模块和当前预紧力计算模块。

电场强度获取模块，用于获取压电陶瓷晶堆在当前预紧力作用下所产生电场的电场强度。

当前预紧力计算模块，用于根据压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算压电陶瓷晶堆的当前预紧力。

可选的，预紧力增大模块320包括：第一判断模块、第一增大模块、第二判断模块和第二增大模块。

第一判断模块，用于在当前预紧力小于目标预紧力时，判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值。

第一增大模块，用于在当前预紧力与目标预紧力的差值大于预设预紧力差值时，以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值。

第二判断模块，用于判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差。

第二增大模块，用于在当前预紧力与目标预紧力的差值大于预设预紧力容差时，更新预设预紧力差值，更新预设扭矩进增量，并以更新后的预设扭矩进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力，从而使当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力差值；直至当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。

其中，更新后的预设预紧力差值为当前预紧力与目标预紧力差值的1/N，更新后的预设扭矩步进增量为更新前的预设扭矩步进增量的1/N；预设预紧力差值的初始值为目标预紧力的1/N，预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/M，M和N均为大于1的正整数，且M大于N；参考施加扭矩是指在合格的压电陶瓷晶堆上施加目标预紧力时，需要施加在预紧螺栓上的扭矩。

可选的，N大于等于2且小于等于6；M大于等于10且小于等于30。

可选的，该装置还包括实际施加扭矩获取模块、扭矩差值计算模块、第三判断模块、合格品认定模块和不良品认定模块。

扭矩获取模块，用于获取施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩。

扭矩差值计算模块，用于计算实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值。

第三判断模块，用于判断扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内。

合格品认定模块，用于在扭矩差值在预设扭矩容差范围内时，认定压电陶瓷晶堆为合格品。

不良品认定模块，用于在扭矩差值超出预设扭矩容差范围时，认定压电陶瓷晶堆为不良品。

本发明实施例三提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置可以用于执行上述任意实施例提供的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，具备相应的功能和有益效果。

实施例四

图4本发明实施例四提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统。该系统包括：电机410、中间连接件420、采样电路430以及控制器440，控制器440包括第二方面的任一压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置。如图4所示，预紧螺栓穿过电极片(图4未示出)和压电陶瓷晶堆450，套进压电陶瓷超声换能器金属前盖，压电陶瓷晶堆450中的正负电极由电极片经导线引出，并连接至采样电路430的接口上，控制器440分别与采样电路430以及电机410连接，电机410和压电陶瓷超声换能器上的预紧螺栓通过中间连接件420连接。

中间连接件420，用于将电机410施加的扭矩传递至预紧螺栓，以对预紧螺栓施加扭矩。示例性的，当预紧螺栓的头部为六角形时，中间连接件420的一端具有内六角，该内六角与预紧螺栓的头部的六角形配合。可以理解的是，中间连接件420的选取可根据实际情况设定，只要能够实现将电机410施加的扭矩传递至预紧螺栓的功能即可，本申请对此不做限定。

采样电路430，用于采集压电陶瓷晶堆450中至少一片压电陶瓷两端的电压，并将电压发送至控制器440。

控制器440在获取到电压后，计算电压对应的至少一片压电陶瓷产生的电场的电场强度，根据压电陶瓷晶堆450的所受预紧力与在所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算施加在压电陶瓷晶堆450上的当前预紧力；在当前预紧力小于目标预紧力时，控制电机410通过中间连接件420增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆450上的预紧力，直至施加在压电陶瓷晶堆450上的当前预紧力与目标预紧力的差值小于预设预紧力容差。其中，压电陶瓷晶堆450在预紧力作用下产生的电场的电场强度与压电陶瓷晶堆450中任一片压电陶瓷在预紧力作用下产生的电场的电场强度相同。

该压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统包括上述所述的任一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加，因而该压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统具备相应的功能和有益效果。

在上述技术方案的基础上，可选的，压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统还包括液晶屏和/或蜂鸣器，液晶屏和蜂鸣器均与控制器连接，用于在预紧力施加完成后提示该施加预紧力完成的压电陶瓷晶堆是合格品还是不良品，此外，液晶屏同时具有触控功能，以便用户能够通过液晶屏与压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统进行交互。

图5是本发明实施例四提供的一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统施加预紧力的流程图，过程详述如下：

S410、用户通过液晶屏向控制器设置目标预紧力、参考施加扭矩、预设预紧力容差、预设扭矩容差以及预设预紧力差值的初始值为目标预紧力的1/3，预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/15。

S420、控制器获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力。

S430、控制器判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值，若是，执行S440后返回执行S420和S430；若否，执行S450。

S440、控制器控制电机以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在压电陶瓷晶堆上的预紧力。

S450、控制器判断当前预紧力与目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差，若是，执行S460后，返回执行S420-S450；若否，执行S470。

S460、控制器将预设预紧力差值更新为当前预紧力与目标预紧力差值的1/3，将预设扭矩步进增量更新为更新前的预设扭矩步进增量的1/3。

S470、控制器获取施加在预紧螺栓上的实际施加扭矩。

S480、控制器计算实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值。

S490、控制器判断扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内，若是，执行S510；若否，执行S520。

S510、控制器认定压电陶瓷晶堆为合格品，控制液晶屏显示压电陶瓷晶堆为合格品的信息。

S520、控制器认定压电陶瓷晶堆为不良品，控制液晶屏显示压电陶瓷晶堆为不良品的信息。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加方法，其特征在于，包括：

获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；

在所述当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于预设预紧力容差包括：

在所述当前预紧力小于目标预紧力时，判断所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值；

若是，则以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于所述预设预紧力差值；

判断所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差；

在所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值大于预设预紧力容差时，更新所述预设预紧力差值，更新所述预设扭矩步进增量，并以更新后的所述预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力，从而使所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于更新后的所述预设预紧力差值；直至所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

其中，更新后的所述预设预紧力差值为所述当前预紧力与所述目标预紧力差值的1/N，更新后的所述预设扭矩步进增量为更新前的所述预设扭矩步进增量的1/N；所述预设预紧力差值的初始值为所述目标预紧力的1/N，所述预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/M，M和N均为大于1的正整数，且M大于N；所述参考施加扭矩是指在合格的压电陶瓷晶堆上施加所述目标预紧力时，需要施加在所述预紧螺栓上的扭矩；

N大于等于2且小于等于6；M大于等于10且小于等于30。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力包括：

获取所述压电陶瓷晶堆在当前预紧力作用下所产生电场的电场强度；

根据所述压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所述所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算所述压电陶瓷晶堆的当前预紧力。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于预设预紧力容差之后还包括：

获取施加在所述预紧螺栓上的实际施加扭矩；

计算所述实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值；

判断所述扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内，若是，则认定所述压电陶瓷晶堆为合格品，若否，则认定所述压电陶瓷晶堆为不良品。

4.一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置，其特征在于，包括：当前预紧力获取模块和预紧力增大模块；

所述预紧力获取模块，用于获取施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；

所述预紧力增大模块，用于在所述当前预紧力小于目标预紧力时，增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

所述预紧力增大模块包括：第一判断模块、第一增大模块、第二判断模块和第二增大模块；

所述第一判断模块，用于在所述当前预紧力小于目标预紧力时，判断所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值是否大于预设预紧力差值；

所述第一增大模块，用于在所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值大于预设预紧力差值时，以预设扭矩步进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力；直至所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于所述预设预紧力差值；

所述第二判断模块，用于判断所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值是否大于预设预紧力容差；

所述第二增大模块，用于在所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值大于预设预紧力容差时，更新所述预设预紧力差值，更新所述预设扭矩进增量，并以更新后的所述预设扭矩进增量增大施加在预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力，从而使所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于所述预设预紧力差值；直至所述当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

其中，更新后的所述预设预紧力差值为所述当前预紧力与所述目标预紧力差值的1/N，更新后的所述预设扭矩步进增量为更新前的所述预设扭矩步进增量的1/N；所述预设预紧力差值的初始值为所述目标预紧力的1/N，所述预设扭矩步进增量的初始值为参考施加扭矩的1/M，M和N均为大于1的正整数，且M大于N；所述参考施加扭矩是指在合格的压电陶瓷晶堆上施加所述目标预紧力时，需要施加在所述预紧螺栓上的扭矩；

N大于等于2且小于等于6；M大于等于10且小于等于30。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述当前预紧力获取模块包括电场强度获取模块和当前预紧力计算模块；

所述电场强度获取模块，用于获取所述压电陶瓷晶堆在当前预紧力作用下所产生电场的电场强度；

所述当前预紧力计算模块，用于根据所述压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所述所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算所述压电陶瓷晶堆的当前预紧力。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括实际施加扭矩获取模块、扭矩差值计算模块、第三判断模块、合格品认定模块和不良品认定模块；

所述扭矩获取模块，用于获取施加在所述预紧螺栓上的实际施加扭矩；

所述扭矩差值计算模块，用于计算所述实际施加扭矩与参考施加扭矩的扭矩差值；

所述第三判断模块，用于判断所述扭矩差值是否在预设扭矩容差范围内；

所述合格品认定模块，用于在所述扭矩差值在所述预设扭矩容差范围内时，认定所述压电陶瓷晶堆为合格品；

所述不良品认定模块，用于在所述扭矩差值超出所述预设扭矩容差范围时，认定所述压电陶瓷晶堆为不良品。

7.一种压电陶瓷超声换能器的预紧力施加系统，其特征在于，包括电机、中间连接件、采样电路以及控制器，所述控制器包括权利要求4-6任一项所述的压电陶瓷超声换能器的预紧力施加装置；

所述控制器分别与所述采样电路以及所述电机连接；所述电机和压电陶瓷超声换能器上的预紧螺栓通过所述中间连接件连接；所述采样电路与所述压电陶瓷超声换能器上的压电陶瓷晶堆中的电极片连接；

所述中间连接件，用于将所述电机施加的扭矩传递至所述预紧螺栓，以对所述预紧螺栓施加扭矩；

所述采样电路，用于采集所述压电陶瓷晶堆中至少一片压电陶瓷两端的电压，并将所述电压发送至所述控制器；

所述控制器在获取到所述电压后，计算所述电压对应的所述至少一片压电陶瓷产生的电场的电场强度，根据所述压电陶瓷晶堆的所受预紧力与在所述所受预紧力作用下所产生的电场的电场强度之间的一一对应关系，计算施加在所述压电陶瓷晶堆上的当前预紧力；在所述当前预紧力小于目标预紧力时，控制所述电机通过所述中间连接件增大施加在所述预紧螺栓上的扭矩，以增大施加在所述压电陶瓷晶堆上的预紧力，直至施加在压电陶瓷晶堆上的当前预紧力与所述目标预紧力的差值小于预设预紧力容差；

其中，所述压电陶瓷晶堆在预紧力作用下产生的电场的电场强度与所述压电陶瓷晶堆中任一片压电陶瓷在预紧力作用下产生的电场的电场强度相同。

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