壓電陶瓷換能器換能器的研究

1.探頭

壓電陶瓷超聲換能器是一種電—力—聲轉(zhuǎn)換器，是指電信號(hào)和聲信號(hào)通過(guò)材料的特性進(jìn)行能量之間的相互轉(zhuǎn)換。電信號(hào)選擇是交變信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中采用的是正弦信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中采用最基本的普通直探頭進(jìn)行研究。

2.等效電路圖

厚度的伸縮型振動(dòng)是最常用的振動(dòng)模式，它是指壓電元件沿厚度方向極化，同時(shí)它的振動(dòng)方向也是沿厚度方向。選擇這種元件的條件就是元件的直徑或邊長(zhǎng)要大于它厚度的10倍以上。

壓電換能器材料的主要性能參數(shù)有：

(1) 壓電應(yīng)變常數(shù)

表示當(dāng)壓電晶體受到外界的單位電壓時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)變大小。

(2) 壓電電壓常數(shù)

表示當(dāng)壓電晶體上受到外界單位應(yīng)力時(shí)，所產(chǎn)生的電壓梯度大小。這兩個(gè)參數(shù)是衡量壓電晶體材料發(fā)射性能的重要參數(shù)，參數(shù)越大，發(fā)射性能越好，發(fā)射靈敏度越高。

(3) 頻率常數(shù)

壓電晶片的固有頻率和其厚度乘積是一個(gè)常數(shù)，稱為頻率常數(shù)N，由此看出晶片厚度與諧振頻率成反比，而超聲波的頻率主要取決于晶片的厚度和晶片中的聲速 。

壓電陶瓷是一種人工焙燒制造的可應(yīng)用于多領(lǐng)域的多晶材料。通過(guò)外加電場(chǎng)和外部施加壓力的作用，使材料的外部彈性形變和內(nèi)部電級(jí)化發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，稱為電致伸縮效應(yīng)。燒結(jié)而成的鐵電體通過(guò)電場(chǎng)的極化處理，讓雜亂的內(nèi)部極化現(xiàn)象變得規(guī)律有序，產(chǎn)生壓電特性。

鈦酸鉛（PbTiO₃）的結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布。在溫度高于居里溫度（the Curie temperature，即鐵電體從鐵電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轫樧兘Y(jié)構(gòu)時(shí)的臨界溫度）時(shí)，鈦酸鉛晶體處于一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即正方體順電結(jié)構(gòu)，鈦離子此時(shí)為于結(jié)構(gòu)的正中心位置，整個(gè)晶體此時(shí)是沒有任何極性的; 當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，處于長(zhǎng)方體狀態(tài)，不再處于對(duì)稱狀態(tài)，稱為鐵電結(jié)構(gòu)。此時(shí)，如果有外加電場(chǎng)的作用，晶體就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。

超聲技術(shù)是一種廣泛使用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它以聲學(xué)理論為基礎(chǔ)，不斷應(yīng)用于電子、通信、醫(yī)學(xué)、生物及物理領(lǐng)域。在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，利用超聲技術(shù)研制的換能器以其靈敏度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)正在越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

檢測(cè)過(guò)程中常用的換能器有: 壓電式換能器、磁致伸縮換能器、電磁聲換能器和激光換能器。最常用的是壓電換能器，它的核心部件就是壓電晶片。壓電晶片可以在壓力的作用下發(fā)生形變，從而導(dǎo)致晶片本身發(fā)生極化，在晶片表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷，此效應(yīng)為壓電效應(yīng)。并且，壓電效應(yīng)具有可逆性，即對(duì)晶片施加電壓后會(huì)發(fā)生形變。在檢測(cè)過(guò)程中，利用超聲探頭的逆壓電效應(yīng)可以產(chǎn)生超聲波，利用壓電效應(yīng)達(dá)到接收超聲波的目的。

壓電陶瓷超聲換能器很早就進(jìn)入了人們的研究視野，它制作方便，可操控強(qiáng)，靈敏度高，機(jī)電耦合性好?；趬弘娞沾砷_發(fā)的換能器包括功率超聲換能器和檢測(cè)超聲換能器 。

由于超聲技術(shù)的非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，嘗試把壓電陶瓷超聲換能器應(yīng)用在液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中。系統(tǒng)中的芯片采用的是Spartan 3E系列FPGA。壓電陶瓷換能器在其中擔(dān)當(dāng)著發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的重要功能。把換能器產(chǎn)生的一定頻率和幅值的超聲信號(hào)通過(guò)發(fā)射電路打入液體內(nèi)部，經(jīng)過(guò)液體對(duì)信號(hào)的衰減，從接收換能器端可以接收到帶有液體濃度信息的信號(hào)。再通過(guò)聲衰減法的分析，有效得出液體的近似濃度。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序，超聲測(cè)量程序，脈沖控制程序，脈沖收發(fā)程序，ADC采集控制程序以及時(shí)鐘和報(bào)警程序。

實(shí)驗(yàn)中可以先對(duì)靜態(tài)液體進(jìn)行測(cè)量，利用超聲衰減法，分析接收端收集的信號(hào)，進(jìn)行包絡(luò)等處理，結(jié)合信號(hào)傳播路徑（管道直徑）得出濃度信息。再對(duì)動(dòng)態(tài)液體進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，信號(hào)傳播路徑要考慮到液體的流速，計(jì)算出大致路徑 。

經(jīng)過(guò)對(duì)鈦酸鉛壓電陶瓷的理論分析及實(shí)際測(cè)試之后，基本上可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)性超聲檢測(cè)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證壓電陶瓷在液體濃度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用具有可行性且對(duì)液體不具有破壞性。為了進(jìn)一步達(dá)到信號(hào)不失真的要求，可以對(duì)壓電陶瓷添加材料進(jìn)行改進(jìn)或選用復(fù)合壓電材料 。2100433B

前言

第1章 緒論

1.1 超聲換能器簡(jiǎn)介

1.2 超聲換能器的主要性能指標(biāo)

1.3 超聲換能器的研究方法

第2章 壓電超聲換能器

2.1 壓電材料和壓電效應(yīng)

2.2 壓電陶瓷振子的振動(dòng)模式

2.3 壓電陶瓷振子的諧振特性

2.4 壓電陶瓷振子的動(dòng)態(tài)特性及其集中參數(shù)等效電路

2.5 壓電陶瓷振子的導(dǎo)納和阻抗特性

2.6 壓電陶瓷振子的等效電路

第3章 磁致伸縮超聲換能器

3.1 磁致伸縮材料

3.2 磁致伸縮效應(yīng)

第4章 氣介超聲換能器

4.1 氣介式超聲換能器的研究現(xiàn)狀

4.2 氣介超聲換能器的種類

4.3 氣介超聲換能器的應(yīng)用

第5章 流體動(dòng)力型超聲換能器

5.1 流體動(dòng)力型發(fā)聲器的種類

5.2 流體動(dòng)力型發(fā)聲器的現(xiàn)狀和展望

第6章 聚焦超聲換能器

6.1 超聲聚焦系統(tǒng)的基本工作原理

6.2 常用的幾種超聲聚焦系統(tǒng)的聲場(chǎng)計(jì)算

第7章 夾心式壓電陶瓷超聲換能器

7.1 概論

7.2 夾心式壓電陶瓷復(fù)合換能器的理論分析及設(shè)計(jì)

第8章 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)超聲換能器

8.1 切向極化壓電陶瓷細(xì)長(zhǎng)棒的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

8.2 切向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

8.3 切向極化壓電陶瓷晶片堆的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

8.4 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)理論

第9章 彎曲振動(dòng)超聲換能器

9.1 疊片式彎曲振動(dòng)壓電陶瓷換能器

9.2 有限寬度矩形板壓電陶瓷振子的彎曲振動(dòng)

9.3 夾心式彎曲振動(dòng)壓電陶瓷超聲換能器

9.4 模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動(dòng)超聲換能器

第10章 復(fù)合振動(dòng)模式壓電超聲換能器

1O.1 縱扭復(fù)合模式超聲振動(dòng)系統(tǒng)

10.2 夾心式縱彎復(fù)合模式超聲換能器

10.3 夾心式扭轉(zhuǎn)彎曲復(fù)合模式超聲換能器

10.4 夾心式模式轉(zhuǎn)換型縱扭復(fù)合模式超聲換能器

第11章 檢測(cè)超聲換能器

11.1 檢測(cè)超聲探頭

11.2 檢測(cè)超聲換能器的一些基本要求

11.3 檢測(cè)超聲換能器的聲阻抗匹配以及背襯選擇

11.4 檢測(cè)超聲換能器的電匹配

第12章 壓電超聲換能器的電學(xué)及聲學(xué)匹配

12.1 壓電陶瓷超聲換能器的動(dòng)態(tài)特性分析

12.2 壓電陶瓷超聲換能器的電匹配

12.3 壓電超聲換能器的聲學(xué)匹配

參考文獻(xiàn)

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內(nèi)容介紹

《壓電換能器和換能器陣》(修訂版)內(nèi)容由淺入深，著重闡明壓電換能器和換能器陣的基礎(chǔ)理論，對(duì)換能器和換能器陣中所涉及的重要問(wèn)題作了重點(diǎn)討論，并概述了發(fā)展動(dòng)態(tài)。全書共十五章，第一章為引言；第二、三、四章為壓電換能器的基礎(chǔ)知識(shí)；第五、六、七、八章介紹了幾種常見的典型壓電換能器；第九章介紹壓電換能器的暫態(tài)效應(yīng)；第十章介紹同種新型換能器；第十一章討論了壓電彈性體的數(shù)值分析方法；第十二章介紹了換能器主要參數(shù)的測(cè)量方法；第十三章為換能器陣的理論基礎(chǔ)；第十四、十五章介紹了均勻和非均勻換能器陣；第十六章簡(jiǎn)要介紹了幾種新型換能器陣。