超声波液位计测量方式研究与探讨 八

2．2超声波换能器

应用超声波进行测量，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，这就要用到超声波换能器。超声波换能器是整个电路中最关键的器件，又称为超声波探头。它的作用是完成电能与声能的相互转换。发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。

超声波探头使用最多的是由压电晶片(或压电陶瓷)制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应ⅢJ。其工作原理是：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1／2波长。其中，PVDF压电薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成40kHz～300kHz的超声换能器。

压电晶片的材料通常有：锆钛酸铅陶瓷(P)，钛酸钡陶瓷(B)，钛酸铅陶瓷(T)，铌酸锂单晶(L)、碘酸锂单晶(1)、石英单晶(Q)以及其他压电材料(N)。

介电常数反映材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用；压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏；

压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着品片接收性能的好坏。

压电片的振动方式有很多种，如：薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中，以薄片厚度振动用的最多。由于压电晶片本身较脆，并因各种绝缘、密封、防腐蚀、阻抗匹配以及防护不良环境要求，压电元件往往装在一壳体内构成探头。

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