超聲波液位計(jì)測量方式研究與探討 八

2．2超聲波換能器

應(yīng)用超聲波進(jìn)行測量，首先要解決的問題是如何發(fā)射和接收超聲波，這就要用到超聲波換能器。超聲波換能器是整個電路中最關(guān)鍵的器件，又稱為超聲波探頭。它的作用是完成電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換。發(fā)射換能器將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲能量，接收換能器將超聲能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測的能量。

超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片(或壓電陶瓷)制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)ⅢJ。其工作原理是：當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。壓電晶片的振動頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作，此時晶片厚度為1／2波長。其中，PVDF壓電薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來制成40kHz～300kHz的超聲換能器。

壓電晶片的材料通常有：鋯鈦酸鉛陶瓷(P)，鈦酸鋇陶瓷(B)，鈦酸鉛陶瓷(T)，鈮酸鋰單晶(L)、碘酸鋰單晶(1)、石英單晶(Q)以及其他壓電材料(N)。

介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)，在制造探頭考慮阻抗匹配時起作用；壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓電體處于應(yīng)力恒定的狀態(tài)時，由于電場強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場強(qiáng)度變化之比，它關(guān)系著晶片發(fā)射性能的好壞；

壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著品片接收性能的好壞。

壓電片的振動方式有很多種，如：薄片的厚度振動，縱片的長度振動，橫片的長度振動，圓片的徑向振動，圓管的厚度、長度、徑向和扭轉(zhuǎn)振動，彎曲振動等。其中，以薄片厚度振動用的最多。由于壓電晶片本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配以及防護(hù)不良環(huán)境要求，壓電元件往往裝在一殼體內(nèi)構(gòu)成探頭。

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