压电换能器电阻抗匹配电路的分析与研究

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1、压电换能器电阻抗匹配电路的分析与研究李秋锋张兴森彭应秋(南昌航空工业学院，南昌330034)作者简介李秋锋：男，南昌航空工业学院测试计量技术及仪器专业02级硕士研究牛，主要从事无损检测、超声检测及超声换能器等方面的研究。导师简介彭应秋：男，湖南湘乡人，南昌航空工业学院测控系教授，硕导，1969年(本科)毕业于哈尔滨军事工程学院非电量电测专业，1981年(硕士)毕业于北京航空材料研究院无损检测专业。主要从事声场、超声检测、超声换能器等方面的研究。Email：pyqniat$sina．tomTEL，：0791—82338】7。一240—压电换能器电阻抗匹配电路的分

2、析与研究李秋锋张兴森彭应秋(南昌航空丁业学院，南昌330034)摘要：俸文土要是通过对几种上K电超声换能器进行电阻抗匹配电路的研究，找出了相应的匹配电路。击除了换能器在频域【：的“双峰”，并保证了其他的性能良好，然后对匹配电路进行了分析和比较，所得结论为压电超声换能器的IU毗抗匹配IU路的设计提供了一定的实验依据．)关键字：爪I乜：超声携能器；叱阻抗匹配：等效IB路x、，vAnalysesandResearchofMatchingCircuitsofPiezoelectricU1trasoniCTransducersLiQiufengZhangXlngsenP

3、engYingqiu(NanchangInstituteof^eronauticalTechnology．Nanchang，330034)Abstract：Thispaperhasmainlyfoundoutrelevantmatchingcircuitsandwipedout“double—summit”oftransducersonfrequencydomainandassuredothersperformancea11rightbymakingresearchofmatchingcircuitsofseveralpiezoelectricultrason

4、ictransducers，thenallmatchingcircuitsareanalyzedandcompared．TheresultsprovideexperimentalbasisfordesignofmatchingcircuitsofDiezoelectricnltrasonictransducers．Keywords：piezoelectric：ultrasonictransducer：impedancematching：equivalentcircuit一、引言在超声无损检测领域，超声换能器作为超声检测设备的核心部件，其屯端匹配网络设计一直是一

5、个重点。如果匹配效果不好，一方面使得信号源发送到换能器上的电功率损火严重，输出效率降低：另一方面反射同电路的电功率使换能器及设备不能稳定J：作甚至损坏。然而，由于超声换能器的品种多样、材料各异及使用的频率不同，使得匹配的方法和结构也不一样，所以匹配问题也一直是超卢探头的一个制作难点。目前，虽然在电路理论上，有了一定的深入，但是实际的匹配效果还是较著，还不能很好的达到要求，平¨国外进口的探头相比还是有相当的差异。我们在研制自制的超声换能器时，选用的是压电陶瓷(铌酸锂)品片，主要针对I～IOMHz内几种常JL}=l频率的直探头进行了匹配网络的研究和实验，设计的电端

6、匹配网络实现了较好的匹配效果，使得换能器的：C作效率得到了一定的提高。二、基本理论分析压电换能器是一种将电信号转变为机械振动，而后又将机械振动转换为电信号的器件，其等效电路如幽1所示⋯。图中cn为静态电容，L、C及R分别为动态电感、动态电容及动态电阻。其中静态电容是换能器所吲有的，即使换能器不作振动，依然存在静态电容，而动态元件是由于换能器作振动而产生的，因此，每一个动态元件都直接与换能器的振动联系在一起。按照传统的匹配理论”1，换能器应该：【作在机械共振频率fs上，此时由于谐振，串联支路的动态电感和动态电容相互“抵消”，所以串联支路因谐振而呈一纯阻，大小为R

7、，整个电路只存在R和一241—c。在没有进行匹配前，换能器上的输出电压和电流间存在着一定的相位差，从而使输出功率得不LCR翻l压I也换能_；{}}的等效『U路蜘期望的最人输山，只有当相位著等于零时，输山功率达到最大值，因此，为了使换能器上电压与电流同相，则必须对其进行匹配，在换能器上并联或串联上一个与Cn相“抵消”的电感即可，这就是凋借作州；另一方面，根据电路知识，要使换能器获得最火的电功率，必须使换能器的阻抗与信号源内阻相接近，以达到匹配的要求。常用的超声信号源的内阻一般是小于50Q，而谐振时的压电陶瓷品片的阻抗实部小于10Q，且有频率越高阻抗越小的趋势。所

8、以，在一些频率段，可通过串联或并联上一