超聲探頭簡介

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1、超聲探頭句光宇1、超聲波傳感器工作的原理1)壓電效應某些晶體材料受到外力作用時，不僅發(fā)生變形，而且內(nèi)部被極化表面產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又回到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應,但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究,發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。l正壓電效應：n一些晶體結構的材料，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；n而當外力去掉后，又恢復不帶電的狀態(tài)；n當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變

2、；n晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機械能轉換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應。l逆壓電效應：n如果給晶體施加以交變電場，晶體本身則產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，又稱電致伸縮效應。n壓電效應具有可逆性。2)石英與壓電陶瓷的壓電效應機理壓電式超聲波傳感器（超聲波探頭）是利用壓電元件的逆壓電效應，將高頻交變電場轉換成高頻機械振動而產(chǎn)生超聲波（發(fā)射探頭）；再利用正壓電效應將超聲振動波轉換成電信號（接收探頭)。發(fā)射探頭和接收探頭結構基本相同，有時可用一個探頭完成兩種任務。l石英晶體的壓電效應X軸

3、：電軸或1軸；Y軸：機械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸。u“縱向壓電效應”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷u“橫向壓電效應”：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷u在光軸（Z軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應。n當沿x軸方向加作用力Fx時，則在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷d11——壓電系數(shù)（C/N）n作用力是沿著y軸方向電荷仍在與x軸垂直的平面（）n切片上電荷的符號與受力方向的關系圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。n切片上電荷的符號與

4、受力方向的關系：u正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。u在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。u沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負電荷。l壓電陶瓷的壓電效應n人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。n壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖u自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。u壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極板上的

5、自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。u放電電荷的多少與外力的大小成比例關系Q——電荷量；d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F——作用力。1、決定換能器性能的關鍵——壓電材料1)壓電材料的主要性能參數(shù)n壓電應變常數(shù)d33:表示在壓電晶體上施加單位電壓時所產(chǎn)生的應變大小。u衡量壓電晶體材料發(fā)射靈敏度高低的重要參數(shù)。其值大，發(fā)射性能好，發(fā)射靈敏度高。n壓電電壓常數(shù)g33：表示作用在壓電晶體上單

6、位應力所產(chǎn)生的電壓梯度大小。u衡量壓電晶體材料接收靈敏度高低的重要參數(shù)。其值大，接收性能好，接收靈敏度高。n介電常數(shù)εu當電容器極板距離和面積一定時，介電常數(shù)ε愈大，電容C也就愈大，即電容器所貯電雖就愈多。壓電晶體的ε應根據(jù)不同用途來選取。超聲波探傷用的壓電晶體，頻率要求高，ε應小一些。因為ε小，C小，電容器充放電時間短,頻率高。揚聲器頻率低，ε應大一些。n機電耦合系數(shù)K；表示壓電材料機械能(聲能)與電能之間的轉換效率。n機械品質因子θmu壓電晶片在諧振時貯存的機械能E貯與在一個周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱

7、為機械品質因子θm。壓電晶片振動損耗的能量主要是由內(nèi)摩擦引起的。θm值對分辨力有較大的影響,θm值大，表示損耗小，晶片持續(xù)振動時間長，脈沖寬度大，分辨力低。反之，θm值小，表示損耗大，脈沖寬度小，分辨力就高。n頻率常數(shù)Ntu說明壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數(shù)，這個常數(shù)叫做頻率常數(shù)，用Nt表示。晶片厚度一定，頻率常數(shù)大的晶片材料的固有頻率高，厚度愈小。n居里溫度Tc；使壓電材料的壓電效應消失的溫度。n要求具有與檢測介質接近的聲阻抗2）常用壓電晶片材料及其特點（性能指標）l第一類壓電材料——壓電單晶

8、體；n壓電單晶是天然形成或人工制成的、具有各向異性的單晶鐵電體材料，它具有壓電效應是基于組成晶體結構的點陣上正負離子相對位置變化引起的。石英是一種常見的壓電單晶，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。n因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同