丁 博，左勇魁，張成玉，張 萌

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

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

換能器是一種將電能與機械能互相轉(zhuǎn)換的裝置，按照能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換率高等優(yōu)點，因此被廣泛應用于微創(chuàng)外科手術(shù)。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(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)

高頻壓電式換能器結(jié)構(gòu)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(gòu)成。

圖1 高頻壓電式換能器結(jié)構(gòu)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(yōu)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(yōu)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(zhuǎn)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(wěn)定性好、電絕緣性優(yōu)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(wěn)定性高、彎曲勁度高、不發(fā)生應力集中及易于加工的優(yōu)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(jù)劉煒在預緊力對超聲換能系統(tǒng)振動特性影響規(guī)律的研究結(jié)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tài)阻抗、電感、機械品質(zhì)、動態(tài)電容和機電耦合系數(shù)等參數(shù)，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(jié)束后，使用阻抗分析儀檢查換能器的狀態(tài)，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(jīng)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(zhì)量效應兩個優(yōu)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(xiàn)象稱為多普勒頻移效應，激光多普勒測振技術(shù)的原理即為多普勒頻移效應。激光多普勒測振技術(shù)與傳統(tǒng)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(yōu)點，在醫(yī)學領域、工業(yè)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(shù)。

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(guān)、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(chǎn)生的多普勒效應，并使用光外差技術(shù)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(zhuǎn)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(diào)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(guān)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(shù)后開始示波。

（6）調(diào)整三腳架位置和高度后，開始調(diào)整光學鏡頭的焦距，使用三腳架上方的調(diào)節(jié)旋鈕使焦點定位于測試棒頂端靠近外側(cè)區(qū)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(guān)開始測試，邊測試邊記錄測試數(shù)據(jù)。

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

（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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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??；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(shù)值均逐漸變??；溫度達到120℃時，超聲刀頭的最大最小振幅出現(xiàn)大幅下降，同時結(jié)合圖6可知，后處理溫度對超聲刀頭振動的影響規(guī)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(jié)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(tài)，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(jù)測試結(jié)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(xù)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(xiàn)大幅下降。對于本文換能器，最佳后處理溫度為100～110℃。結(jié)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(jié)果對換能器的設計具有一定的指導作用。