[發明專利]一種醫用超聲換能器預應力測量方法

在審

• 申請號: 202110589135.6
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113375842A
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 李益民;王霄;鄢家杰;趙志剛
• 申請（專利權）人: 湖南瀚德微創醫療科技有限公司
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L1/16
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 胡喜舟

本發明公開了一種醫用超聲換能器預應力測量方法，基于壓電效應，在超聲換能器兩端并聯一個電容量遠高于壓電陶瓷靜態電容的電容器，再根據直流電壓表測量的電容器兩端的電壓值來算出預應力的大小。與現有技術相比，具有設計簡單、結構緊湊、測量精度高、適用范圍廣等優點，能很好的滿足壓電陶瓷換能器的需求，很適合用于測試超聲換能器的預應力。

技術領域

本發明涉及超聲換能器預應力測量領域，尤其涉及一種醫用超聲換能器預應力測量方法。

背景技術

超聲波是指頻率大于20KHz以上的聲波，因其方向性好，穿透力強，已被廣泛應用于超聲刀手術、超聲波霧化、B超檢查、超聲波制藥等諸多醫學領域。相較于傳統手術，超聲刀手術具有切割精度高、創傷范圍小、凝血效果佳、視野更加清晰、手術時間大幅縮短、術后恢復快等優點，給醫生和患者都帶來了巨大好處。

超聲手術刀設備主要由高頻功率源和超聲振動系統兩部分組成。超聲振動系統又包括三個部分：超聲換能器、超聲變幅桿、超聲刀刀頭。其中，超聲換能器是進行能量轉換的器件，它可以將超聲波發生器產生的振蕩電信號轉換成機械振動信號，即把電能轉化成機械能。換能器主要由前蓋板(含變幅桿)、壓電陶瓷片、電極片、后蓋板和螺栓等組成。由于壓電陶瓷的抗張強度遠小于抗壓強度，長時間工作在反復交變的應力作用下會導致疲勞破壞。因此，通過螺栓給壓電陶瓷施加一定的預應力，能夠使其始終工作在受壓狀態而不至于損壞。而預應力要施加適當，若預應力過低，結合面處接觸剛度下降，不同材料的界面損耗增加，機械阻抗增加，機電轉換效率下降；若預應力過高，會引起壓電材料的性能產生不可逆的變化，即退極化。在實際應用中，通過螺栓對壓電陶瓷片施加的預應力不同，壓電陶瓷的動態應力幅值不同，而且換能器的其他一些性能參數也不同，為使換能器的性能達到最佳，有必要在換能器裝配預緊時對預應力進行監測。故如何準確測量施加的預應力是亟需解決的問題。目前，常用的換能器預應力測試方法是采用力矩扳手和測力傳感器。但這兩種方法通常對換能器的結構尺寸有要求，或者需要設計相應的夾具，使用起來不方便，同時力矩和壓力的關系在很大程度上取決于元件表面光潔度，測試方法比較粗糙，精度不佳。

發明內容

為解決現有技術中存在的不足，提供一種醫用超聲換能器預應力測量方法，基于壓電效應，利用并聯電容器法來測試超聲換能器的預應力，具有設計簡單、測量精度高、適用范圍廣等特點，克服了現有預應力測量工藝的缺點。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種醫用超聲換能器預應力測量方法，包括以下步驟：

S1：在待測超聲換能器的兩端并聯一個電容器，且所述電容器的電容量C至少為待測超聲換能器中壓電陶瓷片靜態電容的50倍；

S2：利用電壓表測量電容器兩端的電壓U；

S3：通過下式計算預應力值T：

其中，Q為電容器的電荷量，且Q＝C*U，S為壓電陶瓷片的截面積，n為壓電陶瓷片的片數，d₃₃為壓電陶瓷片的壓電常數。

作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器預應力測量方法，在步驟S1之前還包括：

裝配待測超聲換能器：首先采用環氧樹脂將經過表面處理的極化后壓電陶瓷片、鍍銀電極片、前金屬蓋板及后金屬蓋板之間膠合，然后用螺栓將以上各部件固定在一起，且使同軸度在0.02mm以內，最后進行老化處理得到待測超聲換能器。

作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器預應力測量方法，所述表面處理包括：

對壓電陶瓷片表面進行研磨和精密拋光，使其粗糙度Ra≤500nm。

作為優選方案，本發明一種醫用超聲換能器預應力的測量方法，所述老化處理包括：

將超聲換能器置于熱處理爐中，在90℃～110℃保溫12～24h。