超聲波液位計換能器材質(zhì)選擇及工作性能

應(yīng)用超聲波液位計進行測量, 首先要解決的問題是如何發(fā)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***關(guān)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(zhuǎn)換。發(fā)射換能器將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲能量,接收換能器將超聲能量轉(zhuǎn)換成其他易于檢測的能量。
 
超聲波液位計探頭使用***多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和發(fā)射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)工作的。壓電效應(yīng)的機理是具有壓電性的晶體對稱性較低, 當受到外力作用發(fā)生形變時, 晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合, 導致晶體發(fā)生宏觀極化, 而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影。所以壓電材料受壓力作用形變時, 兩端面會出現(xiàn)異號電荷反之, 壓電材料在電場中發(fā)生極化時, 會因電荷中心的位移產(chǎn)生機械壓力或拉力, 導致變形。利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動超聲波和交流電的互相轉(zhuǎn)換。其工作原理是當壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵后產(chǎn)生振動, 即可發(fā)射超聲波脈沖, 此即逆壓電效應(yīng)。當超聲波作用于晶片時, 晶片受壓迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)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, 要使晶片在諧振狀態(tài)下工作, 此時晶片厚度為波長。
 
常用的壓電材料一「主要有錯欽酸鉛、欽酸鋇、妮酸鉛, 、妮酸鏗、、硫酸鏗、石英等, 其中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, 常用來制成一的超聲換能器。
 
石英晶體作壓電材料的超聲波換能器
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。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率, 即中心頻率。, 為得到較高的頻率, 要使晶片在諧振狀態(tài)下工作。發(fā)射超聲波時, 加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率。一致接收超聲波時, 作用在其上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣, 超聲波傳感器才有較高的靈敏度。


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