超声波液位计液态介质测量高精度的探讨 十三

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。超声波的接收和发射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应工作的。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影。所以压电材料受压力作用形变时，两端面会出现异号电荷；反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移产生机械压力或拉力，导致变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动(超声波)和交流电的互相转换。其工作原理是当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射超声波脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受压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，要使晶片在谐振状态下工作，此时晶片厚度为1／2波长。

常用的压电材料(piezoelectric material)主要有锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO。)、铌酸铅(PbNbO。)、铌酸锂(LiNbO。)、硫酸锂(LiSO。)、石英(SiO：)等，其中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。

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