壓電陶瓷換能器

超聲技術是一種廣泛使用的無損檢測技術，它以聲學理論為基礎，不斷應用於電子、通信、醫學、生物及物理領域。在現代檢測技術中，利用超聲技術研製的換能器以其靈敏度高、精度高等優點正在越來越受到人們的關注。

檢測過程中常用的換能器有: 壓電式換能器、磁致伸縮換能器、電磁聲換能器和激光換能器。最常用的是壓電換能器，它的核心部件就是壓電晶片。壓電晶片可以在壓力的作用下發生形變，從而導致晶片本身發生極化，在晶片表面出現正負束縛電荷，此效應為壓電效應。並且，壓電效應具有可逆性，即對晶片施加電壓後會發生形變。在檢測過程中，利用超聲探頭的逆壓電效應可以產生超聲波，利用壓電效應達到接收超聲波的目的。

壓電陶瓷是一種人工焙燒製造的可應用於多領域的多晶材料。通過外加電場和外部施加壓力的作用，使材料的外部彈性形變和內部電級化發生相互轉換，稱為電致伸縮效應。燒結而成的鐵電體通過電場的極化處理，讓雜亂的內部極化現象變得規律有序，產生壓電特性。

鈦酸鉛（PbTiO）的結構呈對稱結構分佈。在溫度高於居里溫度（the Curie temperature，即鐵電體從鐵電結構轉變為順變結構時的臨界溫度）時，鈦酸鉛晶體處於一種對稱結構，即正方體順電結構，鈦離子此時為於結構的正中心位置，整個晶體此時是沒有任何極性的; 當溫度低於居里溫度時，晶體結構發生變化，處於長方體狀態，不再處於對稱狀態，稱為鐵電結構。此時，如果有外加電場的作用，晶體就會產生極化現象。

壓電換能器材料的主要性能參數有：

(1) 壓電應變常數

表示當壓電晶體受到外界的單位電壓時，所產生的應變大小。

(2) 壓電電壓常數

表示當壓電晶體上受到外界單位應力時，所產生的電壓梯度大小。這兩個參數是衡量壓電晶體材料發射性能的重要參數，參數越大，發射性能越好，發射靈敏度越高。

(3) 頻率常數

壓電晶片的固有頻率和其厚度乘積是一個常數，稱為頻率常數N，由此看出晶片厚度與諧振頻率成反比，而超聲波的頻率主要取決於晶片的厚度和晶片中的聲速。

1.探頭

壓電陶瓷超聲換能器是一種電—力—聲轉換器，是指電信號和聲信號通過材料的特性進行能量之間的相互轉換。電信號選擇是交變信號，實驗中採用的是正弦信號。實驗中採用最基本的普通直探頭進行研究。

2.等效電路圖

厚度的伸縮型振動是最常用的振動模式，它是指壓電元件沿厚度方向極化，同時它的振動方向也是沿厚度方向。選擇這種元件的條件就是元件的直徑或邊長要大於它厚度的10倍以上。

由於超聲技術的非接觸性等優點，嘗試把壓電陶瓷超聲換能器應用在液體濃度檢測系統當中。系統中的晶元採用的是Spartan 3E系列FPGA。壓電陶瓷換能器在其中擔當著發射信號和接收信號的重要功能。把換能器產生的一定頻率和幅值的超聲信號通過發射電路打入液體內部，經過液體對信號的衰減，從接收換能器端可以接收到帶有液體濃度信息的信號。再通過聲衰減法的分析，有效得出液體的近似濃度。系統的軟體設計包括主程序，超聲測量程序，脈衝控制程序，脈衝收發程序，ADC採集控制程序以及時鐘和報警程序。

實驗中可以先對靜態液體進行測量，利用超聲衰減法，分析接收端收集的信號，進行包絡等處理，結合信號傳播路徑（管道直徑）得出濃度信息。再對動態液體進行動態測量，信號傳播路徑要考慮到液體的流速，計算出大致路徑。

經過對鈦酸鉛壓電陶瓷的理論分析及實際測試之後，基本上可以應用於實驗性超聲檢測。同時，實驗驗證壓電陶瓷在液體濃度測量系統中的應用具有可行性且對液體不具有破壞性。為了進一步達到信號不失真的要求，可以對壓電陶瓷添加材料進行改進或選用複合壓電材料。