现代检测技术――超声ppt课件.ppt

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1、第二章超声波换能器超声换能器其他形式的能量超声波的能量发射换能器。超声（机械）能量其他易于检测的能量接收换能器。发射电路发射换能器媒质接收换能器接收电路主控电路输出换能器:进行能量转换的器件．在声学研究领域，换能器主要是指电声换能器，电能声能．1第二章超声波换能器一、超声换能器的种类：（1）按能量转换的机理和换能材料分：压电、磁致伸缩、机械型等超声换能器．（2）按振动模式分：纵向(厚度)振动、剪切振动、弯曲振动等换能器．（3）按工作介质分：气介、液体、固体等超声换能器．（4）按工作状态分：发射型、接收型、收发两用型超声换

2、能器．（5）按输入功率和工作信号分：功率型、检测型、脉冲信号、调制信号和连续波信号等超声换能器．（6）按形状分：圆盘型、棒状、圆柱型、球形等换能器．（7）按照应用需要分：平面波、球面波、柱面波、聚焦和阵列等超声换能器．二、超声换能器的特性参数：共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等．不同用途的换能器对性能参数的要求不同；例如，发射型超声换能器:要求输出功率和能量转换效率高；接收型超声换能器:要求频带宽和灵敏度高等．在换能器的设计中，根据具体的应用，合理选

3、择参数．2三、检测用的超声换能器特点：（1）功率小（不使传声媒质的性质变化），又要有足够的强度（保证一定的信噪比）；（脉冲超声波，其瞬时功率较大可以保证有足够的信噪比，而平均功率较小，这种换能器比较轻巧，便于安装)；（2）稳定性好(时间稳定性和温度稳定性)。材料进行老化处理老化。（3）在换能过程中，波形不失真。机械Q值太大，频带宽度窄，产生波形畸变；（4）对振动方式有特殊的要求，以便在传声媒质中得到所须波型的超声波(如纵波、横波、表面波、板波、弯曲波等)。（5）使用条件方面的特殊要求，如防爆、防腐蚀、防辐射、防漏、高温或

4、低温、高压或抽空等。从换能器的材料、形状和外壳结构等方面来考虑。第二章超声波换能器3§2.1压电材料及压电效应压电超声换能器的优点：（1）在高频范围，能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动．（2）结构简单，易于激励．（3）压电换能器易于成型和加工，可用于不同的应用场合．§2.1.1压电材料1880年法国物理学家居里兄弟发现压电效应．1881年科学家们又从理论上预计并从实验上证实了逆压电效应的存在．他们发现当压电材料的温度超过一定的值时，压电效应不再存在，这一临界温度称为压电材料的居里温度，也称为居里点．有五大类：压电单晶体

5、：各向异性体。压电陶瓷：各向同性体。压电高分子聚合物压电复合材料压电半导体材料41.压电单晶体§2.1压电材料及压电效应有天然生长和人工培育的。如石英、硫酸锂、铌酸锂、钽酸锂、罗谢尔盐等晶体－－是各向异性体，物理化学性质因观察方向而有差异。天然石英（SiO2）晶体:理想结构外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示.光轴:纵向轴Z－Z；电轴:X－X轴,经过正六面体棱线，并垂直于光轴；机械轴:Y－Y轴,与X－X轴和Z－Z轴同时垂直（垂直于正六面体的棱面）。ZXY(a)(b)ZYX石英晶体(a)理想石英晶体的

6、外形(b)坐标系把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”;沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”;国际上将晶体分为七个晶系，即三斜品系、单斜品系、正交晶系、四方晶系、三方晶系、六方晶系以及立方晶系．5切割取向和切割方位不同时，石英晶体的性能就不同．可以产生不同性质和不同用途的石英振子．X切割产生厚度(纵向）振动模式；Y切割产生切变（横向）振动模式；§2.1压电材料及压电效应X切割的石英晶体片晶片的切割：石英晶体的优点是性能非常稳

7、定，其介电常数和压电系数在常温范围内几乎不随温度变化。在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。机械强度高，绝缘性能也相当好。石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般用于标准仪器或要求较高的传感器中。6压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相

8、互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后§2一1压电材料及压电效应2.压电陶瓷是压电多晶体．人工烧制。如钛酸钡、锆钛酸铅等；制作过程：配料混合粉碎预烧成型烧成上电极极化测试电极：陶瓷上镀的一层金属（银、铜、金和镍）薄膜．未