超聲波換能器又稱為超聲波探頭,它是實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種器件。用于檢測(cè)的超聲波換能器有多種,如壓電型、磁致伸縮型、電磁型、振板型、彈性表面波型等等。檢測(cè)技術(shù)中,主要采用的壓電陶瓷材料來(lái)制作超聲波換能器,它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,其工作機(jī)理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng),利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波,即在壓電材料上加上某種特定額率的交變正弦信號(hào),材料就會(huì)產(chǎn)生隨所加信號(hào)頻率變化的機(jī)械形變,繼而在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波,如果其振動(dòng)頻率在超聲范圍,這種機(jī)械波就是超聲波。接收時(shí),利用正壓電效應(yīng)把來(lái)自探測(cè)物的聲信號(hào)變成電信號(hào)輸出。本論文中采用了兩個(gè)收發(fā)合置的超聲波換能器。

超聲波換能器的結(jié)構(gòu)：
  超聲流量測(cè)量中的超聲波換能器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同,可以分為直探頭、斜探頭、表面波探頭幾種。在本課題的設(shè)計(jì)中,我們選用斜探頭作為超聲波換能器。超聲波流量檢測(cè)中較為常用的換能器是壓電式斜探頭換能器,它主要由壓電晶片、楔塊、接頭等組成,是超聲波流量計(jì)的重要組成部分。
  超聲波探頭中的換能器常用壓電晶片來(lái)制作,壓電晶片的振動(dòng)頻率就是探頭的工作頻率,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,要求晶片在共振狀態(tài)下工作,此時(shí)晶片厚度為波長(zhǎng)。壓電晶片本身較脆,為了保護(hù)其與工件接觸時(shí)不損壞,常在晶片的前面粘附一層保護(hù)膜。在斜探頭的晶片前面有斜楔,晶片發(fā)出的縱波通過(guò)所設(shè)定的一不同傾角的斜楔射向試件表面,經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后可以在試件內(nèi)部形成橫波。
  為提高探頭發(fā)射超聲波的頻率,常使晶片在共振狀態(tài)下使用,但是這樣振動(dòng)不容易停止,難以形成窄脈沖。因此常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動(dòng)阻尼,并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波。對(duì)于斜探頭,晶片前面已經(jīng)與楔塊的斜面固定,背面一般不加阻尼塊。但是斜楔內(nèi)的多次反射波會(huì)造成一系列噪聲,所以在斜楔的前面澆有阻尼物質(zhì),用以吸收噪聲。

超聲波換能器入射角度的選擇：
  在有兩個(gè)折射面的變換器中,超聲波型的轉(zhuǎn)換不同于有一個(gè)折射面變換器中的波型轉(zhuǎn)換。如圖,無(wú)論是聲導(dǎo)由固體材料或是液體層構(gòu)成時(shí),在個(gè)折射面處,以“為入射角的超聲縱波將在管壁產(chǎn)生縱波和橫波兩種波型,而在管壁和流體分界面處,兩種波型有轉(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播。當(dāng)這兩束縱波到達(dá)對(duì)面管壁處,又轉(zhuǎn)換成四束縱波和橫波的兩種波型在管壁中傳播,在接收換能器聲導(dǎo)內(nèi)則將產(chǎn)生六束其中有兩束波重合超聲波束。像這種情況對(duì)接收換能器的接收信號(hào)的選擇是不利的。因此,可以適當(dāng)增大入射角并配合適當(dāng)?shù)穆晫?dǎo)材料,使入射波在管壁處所產(chǎn)生的縱波形成全反射。這樣,除入射聲導(dǎo)以外,其余傳播媒質(zhì)中的波

圖變換器中超聲波型的轉(zhuǎn)換
  束數(shù)目都將減半,以減少接收聲導(dǎo)中的聲混響。但入射角亦不能過(guò)大,否則由于管壁一般是金屬鋼材中的橫波速度也大于聲導(dǎo)一般是有機(jī)玻璃中的縱波速度而使橫波亦形成全反射。通常選在大于臨界角縱波而小于第二臨界角橫波。對(duì)于上述兩個(gè)聲速值,第二臨界角。,如金屬管壁縱波聲速為,則臨界角一,考慮結(jié)構(gòu)安裝上的方便,一般選在一'`川`洲。本設(shè)計(jì)中采用的是由公司生產(chǎn)的型超聲波換能器,它的入射角選取。

超聲波換能器工作頻率的選擇：
  我們可把任一只超聲換能器系統(tǒng)看作一個(gè)電聲整體,等效為一個(gè)所謂電聲四端網(wǎng)絡(luò)。即把電端的物理量與機(jī)端的物理量通過(guò)機(jī)電禍合關(guān)系統(tǒng)一起來(lái),構(gòu)成統(tǒng)一的等效電路網(wǎng)絡(luò)。并利用電路網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí),分析電聲能量轉(zhuǎn)換過(guò)程和傳輸過(guò)程,求解出我們感興趣的超聲換能器指標(biāo)。利用這種分析方法可以得出換能器的動(dòng)態(tài)導(dǎo)納圖。本設(shè)計(jì)中采用的超聲波換能器為斜探頭壓電式換能器,經(jīng)實(shí)測(cè)得到換能器的導(dǎo)納圖如圖。由導(dǎo)納圖

圖超聲波換能器導(dǎo)納圖
  可以看出,順流換能器的諧振頻率為為,逆流換能器的諧振頻率為咬,兩個(gè)換能器的諧振頻率相差不大。由測(cè)量的結(jié)果,在本設(shè)計(jì)中超聲信號(hào)的中心頻率工作頻率選擇在,這個(gè)頻率既與換能器的諧振頻率比較接近,也可以由計(jì)數(shù)器電路方便的分頻得到。
  本章小結(jié)在本章中就相位差法超聲波流量計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論,給出了各個(gè)部分的工程實(shí)現(xiàn)方法。主要就電路系統(tǒng)和換能器進(jìn)行了討論,包括計(jì)數(shù)電路和接收發(fā)射電路的關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn),換能器的分析和參數(shù)的選擇。論文中給出了部分電路的原理框圖或電路原理圖和換能器的動(dòng)態(tài)導(dǎo)納圖。