超声波液位计测量方式研究与探讨 九

2．2．1基本原理

以石英晶体作为压电材料的超声波换能器，利用压电晶片的压电效应和逆压电效应来实现超声波的接收和反射。逆压电效应是指：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此为超声波的发射。正压电效应是指：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。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率f0，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率f。一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率一致。这样，超声传感器才有较高灵敏度。

在所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感矧341。用于超声测距的超声换能器的中心频率一般为40kHz。

超声波换能器的压电晶片安装在一个小型外壳旱，外壳的前面由一种声波很容易通过的金属丝网组成，在换能器的背面有两个电接头。将两个压电晶片粘在一起，它们的每个外表面都有作为施加电位用的镀银电极。制作过程中，在晶体片上形成电荷偶极子，并使其校准在一个确定的方向上，即“极化方向’’。在双压电晶片组成的板里，两个压电片的极化方向是相反的。一个沿极化方向上所施加的外电场，将使晶体片随电场的极性发生膨胀或收缩，从而引起整个组件的弯曲。一个交流电场将引起晶体片快速振动，从而将能量发射出去。

超声波换能器有一个特定的机械共振频率，即压电晶片的谐振频率，只有在相当接近这个共振频率时，才能有效地工作。所以必须用一个接近共振频率的交流频率信号施加到发射换能器上，以便使它发射适当强度的超声波，而当反射回换能器的超声波偏离共振频率较远时，则接收换能器产生的响应就小。

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