壓電陶瓷換能器的工作原理

　　壓電陶瓷換能器概述

　　壓電陶瓷換能器由壓電陶瓷片和輕、重兩種金屬組成，在一定的溫度下經(jīng)極化處理后，具有壓電效應(yīng)。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。基于壓電陶瓷開(kāi)發(fā)的換能器包括功率超聲換能器和檢測(cè)超聲換能器。

　　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_(kāi)發(fā)的換能器包括功率超聲換能器和檢測(cè)超聲換能器。

　　壓電陶瓷換能器工作原理

　　壓電陶瓷換能片的原理是，當(dāng)壓力或張力施加到陶瓷片上時(shí)，在陶瓷片的兩端會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷，并通過(guò)電路產(chǎn)生電流。這種效應(yīng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如果由這種壓電陶瓷制成的換能器被放入水中，那么在聲波的作用下，在換能器的兩端會(huì)感應(yīng)出電荷，這是聲波接收器。此外，壓電效應(yīng)是可逆的。 如果交變電場(chǎng)施加到壓電陶瓷片上，陶瓷片會(huì)不時(shí)變得越來(lái)越薄和厚，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)并發(fā)出聲波。因此，解決了超聲波發(fā)射器的問(wèn)題。

　　壓電陶瓷換能器有兩種材料：磁致伸縮金屬和壓電陶瓷。本文的目的是設(shè)計(jì)用于大功率機(jī)械超聲加工的換能器，因此只討論壓電陶瓷換能器。壓電陶瓷換能器作為一種能量傳輸網(wǎng)絡(luò)，存在能量轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。轉(zhuǎn)換效率與換能器材料、振動(dòng)形式、機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)（包括支撐機(jī)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)以及工作頻率的選擇有關(guān)。因此，在超聲換能器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮各種因素，如聲阻抗、頻率響應(yīng)、阻抗匹配、聲學(xué)結(jié)構(gòu)、振動(dòng)模式和轉(zhuǎn)換材料，以及如何設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)這些因素，以使電聲轉(zhuǎn)換達(dá)到最佳值。

　　壓電陶瓷換能器是一種具有壓電特性的電子陶瓷材料，與不含鐵電成分的典型壓電石英晶體的主要區(qū)別在于，構(gòu)成其主要成分的晶相都是鐵電晶粒。 因?yàn)樘沾墒蔷哂须S機(jī)取向晶粒的多晶聚集體，所以每個(gè)鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是迷失方向的。 為了使陶瓷表現(xiàn)出宏觀(guān)壓電特性，壓電陶瓷必須在燒制后在強(qiáng)直流電場(chǎng)中極化，端面經(jīng)受多個(gè)電極，從而原始無(wú)序取向的極化矢量?jī)?yōu)先取向于電場(chǎng)方向，電場(chǎng)消除后，極化處理后的壓電陶瓷將保持一定的宏觀(guān)殘余極化強(qiáng)度，從而使陶瓷具有一定的壓力。

　　壓電陶瓷換能器的應(yīng)用

　　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。