超聲波液位計測量方式研究與探討 八

2．2超聲波換能器

應用超聲波進行測量，首先要解決的問題是如何發射和接收超聲波，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換。發射換能器將其他形式的能量轉換成超聲能量，接收換能器將超聲能量轉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和逆壓電效應ⅢJ。其工作原理是：當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動，即可發射聲脈沖，此即逆壓電效應。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，此為正壓電效應。前者是超聲波的發射，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)。

介電常數反映材料的介電性質，在制造探頭考慮阻抗匹配時起作用；壓電應變常數是指當壓電體處于應力恒定的狀態時，由于電場強度變化所產生的應變變化與電場強度變化之比，它關系著晶片發射性能的好壞；

壓電電壓常數是指壓電體在電位移恒定時，由于應力變化所產生的電場強度變化與應力變化之比，它關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、阻抗匹配以及防護不良環境要求，壓電元件往往裝在一殼體內構成探頭。

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