压电陶瓷换能器的研究与应用

第26卷2012年第3期8月山东轻工业学院学报

JOURNALOFSHANDONGPOLYTECHNICUNIVERSITYVol．26Aug．No．32012

4280（2012）03-0056-03文章编号：1004-

压电陶瓷换能器的研究与应用

蒙延庆

（山东轻工业学院电气工程与自动化学院，山东济南250353）

摘要：超声换能器基于压电材料制作，通过发射一定频率的超声信号，并接收载有介质信息的信号对目标介质进行检测。压电陶瓷的特殊性能决定了超声换能器在检测领域的应用越来越广泛。本文主要进行了压电陶瓷的特性分析及换能器的电路等效设计，分析了换能器的性能参数及在液体浓度检测中的应用。关键词：压电陶瓷；换能器；浓度检测中图分类号：TP13

文献标识码：A

ResearchAndApplicationOfTheUltrasonicTransducer

MENGYan-qing

（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，ShandongPolytechnicUniversity，Jinan250353，China）

Abstract：Ultrasonictransducerisproducedbypiezoelectricmaterials，anditcandetectsomecharacteristicsofatargetmediabytransmittingacertainfrequencyofultrasonicsignalsandreceivingthesignalcontaininginformationofthemedia．Thespecialpropertiesofpiezoelectricceramicdeterminethattheultrasonictransducerwillbewidelyused．Thispapermainlystudiesthecharacteristicsofthepiezoelectricceramic，theparametersandequivalentcircuitofthetransducerperformance，andtheapplicationinliquidconcentrationdetectionwiththetransducer．Keywords：piezoelectricceramic；transducer；concentrationdetection

性，即对晶片施加电压后会发生形变。在检测过程

中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利

［1］

用压电效应达到接收超声波的目的。

压电陶瓷超声换能器很早就进入了人们的研究它制作方便，可操控强，灵敏度高，机电耦合性视野，

好。目前，基于压电陶瓷开发的换能器包括功率超声换能器和检测超声换能器。

1引言

超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物理领域。在现代检测技术中，利用超声技术精度高等优点正在越研制的换能器以其灵敏度高、来越受到人们的关注。

目前，检测过程中常用的换能器有：压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆

04-12收稿日期：2012-基金项目：山东省中青年科学家科研奖励基金（2008BSBO1001）．

2

2．1

压电效应及换能器研究

压电效应

压电陶瓷是一种人工焙烧制造的可应用于多领域的多晶材料。通过外加电场和外部施加压力的作用，使材料的外部弹性形变和内部电级化发生相互

），作者简介：蒙延庆（1986-男，山东省德州市人，山东轻工业学院在读硕士研究生，研究方向：工业过程智能检测与仪器．

第3期蒙延庆：压电陶瓷换能器的研究与应用

57

转换，称为电致伸缩效应。烧结而成的铁电体通过电场的极化处理，让杂乱的内部极化现象变得规律产生压电特性。有序，

钛酸铅（PbTiO3）的结构呈对称结构分布。在即铁电体温度高于居里温度（theCurietemperature，

钛从铁电结构转变为顺变结构时的临界温度）时，酸铅晶体处于一种对称结构，即正方体顺电结构，钛

离子此时为于结构的正中心位置，整个晶体此时是没有任何极性的；当温度低于居里温度时，晶体结构发生变化，处于长方体状态，不再处于对称状态，称为铁电结构。此时，如果有外加电场的作用，晶体就

［2］

会产生极化现象。如图1所示。

人工制作的压电材料性能可能与实验相求的有差距，有必要对压电元件的主要性能参数进行测试。通过压电陶瓷测量方法得出钛酸铅性能参数见表1。

表1

D33与G33数值

6234

D33（10－12m/v）G33（10－3v·m/N）

D33：压电应变常数；G33：压电电压常数；厚度方向机电耦合参数反映了陶瓷的机电转换性能以及灵

［4］

敏性，值越大越好。应用最常见的性能测试电路测试材料的阻抗，如图2所示。

图2

图1

钛酸铅的晶体结构示意图和极化状态示意图

压电陶瓷性能测量电路

2．22．2．1

压电材料的选择及参数测量压电材料的选择

压电换能器材料的主要性能参数有：（1）压电应变常数

把开关K打到压电振子，不断调整信号发生器的频率，当R并联的电压表电压最大时，此时，压电，此时频率计上的频率即为振子阻抗最小记为Zmin，

谐振频率FS。然后，把开关K打到电阻箱上，不断调节电阻箱的值，值到R并联的电压表的值为最此时电阻箱的值即为压电振子最小阻抗Zmin。大，

2．3换能器的研究2．3．1

探头

压电陶瓷超声换能器是一种电—力—声转换器，是指电信号和声信号通过材料的特性进行能量之间的相互转换。电信号选择是交变信号，实验中采用的是正弦信号。

实验中采用最基本的普通直探头进行研究，设计图与实际效果图如图3所示。

［5］

表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产

生的应变大小。

（2）压电电压常数

表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。

这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。

（3）频率常数

压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是：

t=λLcL

=22f0

cL其中t为晶片厚度，λL为晶片中纵波波长，

f0为晶片固有谐振频率。由上为晶片中纵波波速，式知：

N=tf0=

cL

2

图3

直探头内部结构图和实际效果图

压电晶片的固有频率和其厚度乘积是一个常数，称为频率常数N，由此看出晶片厚度与谐振频率成反比，而超声波的频率主要取决于晶片的厚度和

［3］

晶片中的声速。2．2．2

性能参数测量

2．3．2

等效电路图

厚度的伸缩型振动是最常用的振动模式，它是指压电元件沿厚度方向极化，同时它的振动方向也

58

山东轻工业学院学报第26卷

是沿厚度方向。选择这种元件的条件就是元件的直

［5］

径或边长要大于它厚度的10倍以上。其等效电路如图4所示。

系统中的芯片采用的是Spartan3E系列FPGA。压电陶瓷换能器在其中担当着发射信号和接收信号的重要功能。把换能器产生的一定频率和幅值的超声信号通过发射电路打入液体内部，经过液体对信

从接收换能器端可以接收到带有液体浓号的衰减，

有效得出度信息的信号。再通过声衰减法的分析，

液体的近似浓度。系统的软件设计包括主程序，超ADC采声测量程序，脉冲控制程序，脉冲收发程序，集控制程序以及时钟和报警程序。

实验中可以先对静态液体进行测量，利用超声衰减法，分析接收端收集的信号，进行包络等处理，结合信号传播路径（管道直径）得出浓度信息。再对动态液体进行动态测量，信号传播路径要考虑到液体的流速，计算出大致路径。

图4压电陶瓷等效电路图

电路图中并联的C0是压电元件在静止时的电

R0为静态电阻。在实际中，容值，通常R0比较大，R2可以把支路省略。R1为晶体的内部摩擦阻力，为元件振动时因辐射而产生的辐射阻抗。

4结论和展望

3应用

由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷超声换能器应用在液体浓度检测系统当中。设计原理如图5所示。

经过对钛酸铅压电陶瓷的理论分析及实际测试之后，基本上可以应用于实验性超声检测。同时，实验验证压电陶瓷在液体浓度测量系统中的应用具有可行性且对液体不具有破坏性。为了进一步达到信号不失真的要求，可以对压电陶瓷添加材料进行改进或选用复合压电材料。参考文献：

［1］林书玉．夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计［J］．声

2006，25（2）：161-163．学技术，

［2］马乐山．检测超声换能器用改进钛酸铅压电陶瓷材料［J］．压

1992，14（3）：37-39．电与声光，

［3］林书玉．超声换能器的原理及设计［J］．物理，2009，38（3）：

141-144．

［4］张权．超声波浆体质量浓度检测系统的研究［D］．上海：上海

2005．大学，

［5］姚骏．纸浆悬浮液超声衰减理论及其在浓度流量检测中的应

D］．上海：上海大学，2006．用研究［

图5利用换能器对纸浆浓度进行测量流程图

第26卷2012年第3期8月山东轻工业学院学报

JOURNALOFSHANDONGPOLYTECHNICUNIVERSITYVol．26Aug．No．32012

4280（2012）03-0056-03文章编号：1004-

压电陶瓷换能器的研究与应用

蒙延庆

（山东轻工业学院电气工程与自动化学院，山东济南250353）

摘要：超声换能器基于压电材料制作，通过发射一定频率的超声信号，并接收载有介质信息的信号对目标介质进行检测。压电陶瓷的特殊性能决定了超声换能器在检测领域的应用越来越广泛。本文主要进行了压电陶瓷的特性分析及换能器的电路等效设计，分析了换能器的性能参数及在液体浓度检测中的应用。关键词：压电陶瓷；换能器；浓度检测中图分类号：TP13

文献标识码：A

ResearchAndApplicationOfTheUltrasonicTransducer

MENGYan-qing

（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，ShandongPolytechnicUniversity，Jinan250353，China）

Abstract：Ultrasonictransducerisproducedbypiezoelectricmaterials，anditcandetectsomecharacteristicsofatargetmediabytransmittingacertainfrequencyofultrasonicsignalsandreceivingthesignalcontaininginformationofthemedia．Thespecialpropertiesofpiezoelectricceramicdeterminethattheultrasonictransducerwillbewidelyused．Thispapermainlystudiesthecharacteristicsofthepiezoelectricceramic，theparametersandequivalentcircuitofthetransducerperformance，andtheapplicationinliquidconcentrationdetectionwiththetransducer．Keywords：piezoelectricceramic；transducer；concentrationdetection

性，即对晶片施加电压后会发生形变。在检测过程

中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利

［1］

用压电效应达到接收超声波的目的。

压电陶瓷超声换能器很早就进入了人们的研究它制作方便，可操控强，灵敏度高，机电耦合性视野，

好。目前，基于压电陶瓷开发的换能器包括功率超声换能器和检测超声换能器。

1引言

超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物理领域。在现代检测技术中，利用超声技术精度高等优点正在越研制的换能器以其灵敏度高、来越受到人们的关注。

目前，检测过程中常用的换能器有：压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆

04-12收稿日期：2012-基金项目：山东省中青年科学家科研奖励基金（2008BSBO1001）．

2

2．1

压电效应及换能器研究

压电效应

压电陶瓷是一种人工焙烧制造的可应用于多领域的多晶材料。通过外加电场和外部施加压力的作用，使材料的外部弹性形变和内部电级化发生相互

），作者简介：蒙延庆（1986-男，山东省德州市人，山东轻工业学院在读硕士研究生，研究方向：工业过程智能检测与仪器．

第3期蒙延庆：压电陶瓷换能器的研究与应用

57

转换，称为电致伸缩效应。烧结而成的铁电体通过电场的极化处理，让杂乱的内部极化现象变得规律产生压电特性。有序，

钛酸铅（PbTiO3）的结构呈对称结构分布。在即铁电体温度高于居里温度（theCurietemperature，

钛从铁电结构转变为顺变结构时的临界温度）时，酸铅晶体处于一种对称结构，即正方体顺电结构，钛

离子此时为于结构的正中心位置，整个晶体此时是没有任何极性的；当温度低于居里温度时，晶体结构发生变化，处于长方体状态，不再处于对称状态，称为铁电结构。此时，如果有外加电场的作用，晶体就

［2］

会产生极化现象。如图1所示。

人工制作的压电材料性能可能与实验相求的有差距，有必要对压电元件的主要性能参数进行测试。通过压电陶瓷测量方法得出钛酸铅性能参数见表1。

表1

D33与G33数值

6234

D33（10－12m/v）G33（10－3v·m/N）

D33：压电应变常数；G33：压电电压常数；厚度方向机电耦合参数反映了陶瓷的机电转换性能以及灵

［4］

敏性，值越大越好。应用最常见的性能测试电路测试材料的阻抗，如图2所示。

图2

图1

钛酸铅的晶体结构示意图和极化状态示意图

压电陶瓷性能测量电路

2．22．2．1

压电材料的选择及参数测量压电材料的选择

压电换能器材料的主要性能参数有：（1）压电应变常数

把开关K打到压电振子，不断调整信号发生器的频率，当R并联的电压表电压最大时，此时，压电，此时频率计上的频率即为振子阻抗最小记为Zmin，

谐振频率FS。然后，把开关K打到电阻箱上，不断调节电阻箱的值，值到R并联的电压表的值为最此时电阻箱的值即为压电振子最小阻抗Zmin。大，

2．3换能器的研究2．3．1

探头

压电陶瓷超声换能器是一种电—力—声转换器，是指电信号和声信号通过材料的特性进行能量之间的相互转换。电信号选择是交变信号，实验中采用的是正弦信号。

实验中采用最基本的普通直探头进行研究，设计图与实际效果图如图3所示。

［5］

表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产

生的应变大小。

（2）压电电压常数

表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。

这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。

（3）频率常数

压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是：

t=λLcL

=22f0

cL其中t为晶片厚度，λL为晶片中纵波波长，

f0为晶片固有谐振频率。由上为晶片中纵波波速，式知：

N=tf0=

cL

2

图3

直探头内部结构图和实际效果图

压电晶片的固有频率和其厚度乘积是一个常数，称为频率常数N，由此看出晶片厚度与谐振频率成反比，而超声波的频率主要取决于晶片的厚度和

［3］

晶片中的声速。2．2．2

性能参数测量

2．3．2

等效电路图

厚度的伸缩型振动是最常用的振动模式，它是指压电元件沿厚度方向极化，同时它的振动方向也

58

山东轻工业学院学报第26卷

是沿厚度方向。选择这种元件的条件就是元件的直

［5］

径或边长要大于它厚度的10倍以上。其等效电路如图4所示。

系统中的芯片采用的是Spartan3E系列FPGA。压电陶瓷换能器在其中担当着发射信号和接收信号的重要功能。把换能器产生的一定频率和幅值的超声信号通过发射电路打入液体内部，经过液体对信

从接收换能器端可以接收到带有液体浓号的衰减，

有效得出度信息的信号。再通过声衰减法的分析，

液体的近似浓度。系统的软件设计包括主程序，超ADC采声测量程序，脉冲控制程序，脉冲收发程序，集控制程序以及时钟和报警程序。

实验中可以先对静态液体进行测量，利用超声衰减法，分析接收端收集的信号，进行包络等处理，结合信号传播路径（管道直径）得出浓度信息。再对动态液体进行动态测量，信号传播路径要考虑到液体的流速，计算出大致路径。

图4压电陶瓷等效电路图

电路图中并联的C0是压电元件在静止时的电

R0为静态电阻。在实际中，容值，通常R0比较大，R2可以把支路省略。R1为晶体的内部摩擦阻力，为元件振动时因辐射而产生的辐射阻抗。

4结论和展望

3应用

由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷超声换能器应用在液体浓度检测系统当中。设计原理如图5所示。

经过对钛酸铅压电陶瓷的理论分析及实际测试之后，基本上可以应用于实验性超声检测。同时，实验验证压电陶瓷在液体浓度测量系统中的应用具有可行性且对液体不具有破坏性。为了进一步达到信号不失真的要求，可以对压电陶瓷添加材料进行改进或选用复合压电材料。参考文献：

［1］林书玉．夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计［J］．声

2006，25（2）：161-163．学技术，

［2］马乐山．检测超声换能器用改进钛酸铅压电陶瓷材料［J］．压

1992，14（3）：37-39．电与声光，

［3］林书玉．超声换能器的原理及设计［J］．物理，2009，38（3）：

141-144．

［4］张权．超声波浆体质量浓度检测系统的研究［D］．上海：上海

2005．大学，

［5］姚骏．纸浆悬浮液超声衰减理论及其在浓度流量检测中的应

D］．上海：上海大学，2006．用研究［

图5利用换能器对纸浆浓度进行测量流程图