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，在一定的溫度下經極化處理后，具有壓電效應。壓電陶瓷超聲換能器很早就進入了人們的研究視野，它制作方便，可操控強，靈敏度高，機電耦合性好。基于壓電陶瓷開發的換能器包括功率超聲換能器和檢測超聲換能器。

超聲技術是一種廣泛使用的無損檢測技術，它以聲學理論為基礎，不斷應用于電子、通信、醫學、生物及物理領域。在現代檢測技術中，利用超聲技術研制的換能器以其靈敏度高、精度高等優點正在越來越受到人們的關注。

檢測過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生形變，從而導致晶片本身發生極化，在晶片表面出現正負束縛電荷，此效應為壓電效應。并且，壓電效應具有可逆性，即對晶片施加電壓后會發生形變。在檢測過程中，利用超聲探頭的逆壓電效應可以產生超聲波，利用壓電效應達到接收超聲波的目的。壓電陶瓷超聲換能器很早就進入了人們的研究視野，它制作方便，可操控強，靈敏度高，機電耦合性好。基于壓電陶瓷開發的換能器包括功率超聲換能器和檢測超聲換能器。

壓電陶瓷換能器工作原理

壓電陶瓷換能片的原理是，當壓力或張力施加到陶瓷片上時，在陶瓷片的兩端會產生極性相反的電荷，并通過電路產生電流。這種效應稱為壓電效應。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，在換能器的兩端會感應出電荷，這是聲波接收器。此外，壓電效應是可逆的。如果交變電場施加到壓電陶瓷片上，陶瓷片會不時變得越來越薄和厚，同時產生振動并發出聲波。因此，解決了超聲波發射器的問題。

壓電陶瓷換能器有兩種材料：磁致伸縮金屬和壓電陶瓷。本文的目的是設計用于大功率機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絡，存在能量轉換效率問題。轉換效率與換能器材料、振動形式、機械振動系統（包括支撐機構）的結構以及工作頻率的選擇有關。因此，在超聲換能器的設計中，應該考慮各種因素，如聲阻抗、頻率響應、阻抗匹配、聲學結構、振動模式和轉換材料，以及如何設計和協調這些因素，以使電聲轉換達到最佳值。

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別在于，構成其主要成分的晶相都是鐵電晶粒。因為陶瓷是具有隨機取向晶粒的多晶聚集體，所以每個鐵電晶粒的自發極化矢量也是迷失方向的。為了使陶瓷表現出宏觀壓電特性，壓電陶瓷必須在燒制后在強直流電場中極化，端面經受多個電極，從而原始無序取向的極化矢量優先取向于電場方向，電場消除后，極化處理后的壓電陶瓷將保持一定的宏觀殘余極化強度，從而使陶瓷具有一定的壓力。

壓電陶瓷換能器的應用

由于超聲技術的非接觸性等優點，嘗試把壓電陶瓷超聲換能器應用在液體濃度檢測系統當中。系統中的芯片采用的是Spartan 3E系列FPGA。壓電陶瓷換能器在其中擔當著發射信號和接收信號的重要功能。把換能器產生的一定頻率和幅值的超聲信號通過發射電路打入液體內部，經過液體對信號的衰減，從接收換能器端可以接收到帶有液體濃度信息的信號。再通過聲衰減法的分析，有效得出液體的近似濃度。系統的軟件設計包括主程序，超聲測量程序，脈沖控制程序，脈沖收發程序，ADC采集控制程序以及時鐘和報警程序。

實驗中可以先對靜態液體進行測量，利用超聲衰減法，分析接收端收集的信號，進行包絡等處理，結合信號傳播路徑（管道直徑）得出濃度信息。再對動態液體進行動態測量，信號傳播路徑要考慮到液體的流速，計算出大致路徑。

審核編輯 黃昊宇