超聲波液位計測量方式研究與探討 九

2．2．1基本原理

以石英晶體作為壓電材料的超聲波換能器，利用壓電晶片的壓電效應和逆壓電效應來實現超聲波的接收和反射。逆壓電效應是指：當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動，即可發射聲脈沖，此為超聲波的發射。正壓電效應是指：當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，此為超聲波的接收。

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。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率f0，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態下工作。發射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率f。一致；接收超聲波時，作用在其上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高靈敏度。

在所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感矧341。用于超聲測距的超聲換能器的中心頻率一般為40kHz。

超聲波換能器的壓電晶片安裝在一個小型外殼旱，外殼的前面由一種聲波很容易通過的金屬絲網組成，在換能器的背面有兩個電接頭。將兩個壓電晶片粘在一起，它們的每個外表面都有作為施加電位用的鍍銀電極。制作過程中，在晶體片上形成電荷偶極子，并使其校準在一個確定的方向上，即“極化方向’’。在雙壓電晶片組成的板里，兩個壓電片的極化方向是相反的。一個沿極化方向上所施加的外電場，將使晶體片隨電場的極性發生膨脹或收縮，從而引起整個組件的彎曲。一個交流電場將引起晶體片快速振動，從而將能量發射出去。

超聲波換能器有一個特定的機械共振頻率，即壓電晶片的諧振頻率，只有在相當接近這個共振頻率時，才能有效地工作。所以必須用一個接近共振頻率的交流頻率信號施加到發射換能器上，以便使它發射適當強度的超聲波，而當反射回換能器的超聲波偏離共振頻率較遠時，則接收換能器產生的響應就小。

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