压电声传感器 ppt课件

1、第7章 压电声传感器第第7章章 压电声传感器压电声传感器 7.1 厚度振动换能器厚度振动换能器7.2 圆柱形压电换能器圆柱形压电换能器 7.3 复合棒压电换能器复合棒压电换能器7.4 压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器第7章 压电声传感器7.1 厚度振动换能器厚度振动换能器 厚度振动换能器是利用压电陶瓷的厚度振动方式,任务频率普通从几百kHz至十几MHz广泛运用于超声技术中。图7.1为厚度振动换能器构造图。压电晶片通常为圆片。维护膜的作用是防止晶片与外界接触和磨损,并起声阻抗匹配作用。背衬由环氧树脂和钨粉混合固化而成,用于添加机械阻尼,扩展带宽,减小波形失真,提高分辨率。

2、第7章 压电声传感器 图7.2是超声检测中实践运用的探头的构造剖面图。图(a)为直探头,声波垂直入射。图(b)为斜探头,声波以一定角度入射。 从探头的构造可见,厚度振动换能器主要由压电陶瓷晶片、维护膜和背衬组成。这三部分决议了厚度振动换能器的主要特性,下面就以图7.3所示的厚度振动换能器的这一实际模型研讨这种换能器的性能。图中1为维护膜,2为背衬,3为压电晶片。由于篇幅所限,以下只列出主要结果,读者假设要了解详细推导过程,可参看本章参考文献2。 第7章 压电声传感器图7.1 厚度振动换能器构造图 外壳电缆电极引线背衬压电晶片保护膜第7章 压电声传感器图7.2 超声检测中实践运用的探头构造 第7

3、章 压电声传感器图7.3 厚度振动换能器的实际模型 4123第7章 压电声传感器 从晶体的压电方程、运动方程、几何方程和边境条件,可导出如图7.4所示的厚度振动晶片的机电等效图。图中,、v、t和S分别表示晶片的密度、声速、厚度和截面积,C0=S/(tS33)为晶片截止电容,n=Sh33/(S33t)为机电转换系数, 、 和F1、F2表示晶片两端的振速和所受外力。12第7章 压电声传感器 维护膜和背衬的等效机电图如图7.5所示。对维护 。对背衬只 需将下标1改为2,那么Z1和Z2有一样的表达式。 由图7.4和图7.5,利用交界面力和速度延续的边境条件,可得到如图7.6所示的厚度振动换能器的机电等

4、效图。图中Zs为辐射声阻抗。有了此等效图，分析换能器的机电性能就比较容易了。 1 11 1111 1121 1tan,2sink tv SZjv SZjk t第7章 压电声传感器图7.4 厚度振动晶片的机电等效图121 : nC0 C0IUF1F22tanjktvS2tanjktvSktvSsinj第7章 压电声传感器图7.5 维护膜和背衬的等效机电图 12F1F2Z1Z1Z2第7章 压电声传感器 假设设背衬的机械阻抗为无限大这近似普通的实践情况,即图7.6中的22端开路,可得辐射面共振10最大的共振条件为1 111 11 1cossin0sv S Xk tRZk t式中 221 11 112

5、201 111 11 1121 1221 11 11tancot1() 1() tan1tan1() tanssssnZk tXvSktv SZCv Sk tv Sk tRZZk tv S第7章 压电声传感器 辐射面共振时的辐射声功率为 21 111 111 11 1()cossinassv SZv S Rk tZ Xk t接纳时,在声压p的作用下,低频时的开路输出电压为 112220011 1()nS pnS ptUv Sv SCCS tt可见,在很低频率时,开路输出电压是与频率无关的常数。第7章 压电声传感器图7.6 厚度振动换能器的机电等效图 1101 : nC0 C0IU2tanjkt

6、vSktvSsinj22112tanj22222tkSv2tanj11111tkSv22222sinjtkSv11111sinjtkSvZs第7章 压电声传感器7.2 圆柱形压电换能器圆柱形压电换能器 圆柱形压电换能器的转换元件为一压电陶瓷圆管,极化方向常沿着半径方向(径向极化)和长度方向(纵向极化),作接纳换能器时,有时极化方向也沿着圆周的切线方向(切向极化)。当换能器任务于发射形状时,压电陶瓷圆管在电场的作用下,借助反向压电效应,发生伸张或收缩,从而向媒质发射声波。 第7章 压电声传感器 当换能器任务于接纳形状时,压电陶瓷圆管在声信号的作用下发生伸张或收缩,借助正向压电效应,转换为电信号输

7、出。 圆管内部常充以反射资料或吸声资料,振子置于充油的外壳中或直接在外部硫化一层透声橡胶和浇注一层高分子资料。圆柱形压电换能器沿半径方向有均匀的指向性、有较高的灵敏度,且构造较简单,因此广泛用于水声技术、超声技术、海洋开发和地质勘探中,并常用来作规范接纳换能器。 第7章 压电声传感器 图7.7为一圆柱形水听器的构造,图中,1同轴电缆,2金属套筒,3橡皮护套和衬垫,4压电陶瓷圆管,5释压资料,6金属端帽。在低频远低于共振频率时,这种换能器的接纳灵敏度有平坦的呼应。较小的圆管有较高的共振频率,可获得较宽的、平坦的频带宽度,但灵敏度将有所降低。第7章 压电声传感器 图7.7 圆柱形水听器的构造 3.

8、18 cm456321第7章 压电声传感器 7.2.1 薄壁圆管的共振频率方程 长为l,平均半径为a,边境自在的薄壁圆管的共振频率方程为22222241()()rv 式中,l=v/l,r=v/a,v为声速,为泊松系数,=1,3,5 下面思索几种特殊情形当1时: (1) a0 01EvYll 即为长l的棒的共振角频率。式中,为密度,YE0为杨氏模量。 第7章 压电声传感器 (2) l0 01ErvYaa即为平均半径为a的薄圆环径向振动的共振角频率。 (3) l0221(1)1ErYa为无穷长的薄壁圆管径向共振角频率。第7章 压电声传感器 (4) l=r即a=l 01(1)1ErYa或写成 0(1

9、)EYl为长度等于半周长的薄圆管的耦合共振角频率。 第7章 压电声传感器 7.2.2 开路接纳电压灵敏度 当频率远低于第一个共振频率时接纳灵敏度有平坦的呼应。接纳灵敏度还和圆柱水听器的两端力学边境条件有关。对于管端自在声屏蔽的力学边境条件得到的低频时的开路接纳电压灵敏度为333111abMb ggab其中,a和b分别为圆管的内外径,g33和g31为压电常数。 第7章 压电声传感器7.3 复合棒压电换能器复合棒压电换能器 复合棒压电换能器,也称为夹心式压电换能器或喇叭形压电换能器,是一种常用的大功率发射换能器。它以较小的分量和体积获得大的声能密度而广泛地用于水声和超声技术中。这种换能器用于接纳亦

10、有较高的灵敏度。复合棒压电换能器振子构造表示图如图7.8所示。图中,1金属前盖板,2电极引线,3金属节板,4压电陶瓷晶片堆,5预应力螺钉,6金属后盖板。图7.9为复合棒压电换能器外形图。第7章 压电声传感器图7.8 复合棒压电换能器振子构造表示图654321第7章 压电声传感器 图7.9 复合棒压电换能器外形图 第7章 压电声传感器 压电陶瓷晶片安放时要留意:每相邻两片的极化方向相反;晶片的数目普通成偶数,以使前后金属盖板与同一极性的电极相连,否那么在前后盖板与晶片之间要垫以绝缘垫圈。每两片晶片之间、以及晶片和金属盖板之间通常夹以薄黄铜片(普通厚度小于0.1mm),作为焊接电极引线用。振子经过

11、节板固定在外壳或支架上,金属节板的位置设计在振子振动的节面上。为了尽量减轻振子与外壳的机械耦合,在保证节板支撑强度的情况下,节板尽能够的薄一些,有时在稍大于晶片直径的圆周上车一槽,添加其顺性。 第7章 压电声传感器 晶片、电极铜片、金属节板和金属前后盖板之间用环氧树脂胶合。由于压电陶瓷的抗压应力远大于抗拉应力;胶合层在大振幅的情况下通常也在拉伸阶段遭到破坏,所以加上预应力螺钉把振子的晶片和胶合部分加上预压应力。加上预应力螺钉对共振频率有小的影响,而电声效率不变,所接受的最大功率却要添加数倍。金属前盖板通常采用硬铝或镁铝合金等轻金属,后盖板通常采用钢或黄铜。前盖板采用轻金属,后盖板用重金属,是为

12、了得到大的前后盖板的位移比。 第7章 压电声传感器 由动量守恒定律,节板两边的动量要相等,那么其速度与密度成反比。在利用铝和钢作为前盖板和后盖板时,其位移比约为三比一。在这种情况下轻金属外表(辐射面位移较大,将辐射出振子中储存的振动能量的较大部分。 金属前盖板设计成喇叭形,可以降低机械Q值,并能调理换能器的指向性。在超声加工等技术中,为在任务端得到大位移,那么将金属前盖板设计成锥形、指数型或悬链形,称为变幅杆。陶瓷片的厚度以及选用陶瓷片数目的多少,需求进展仔细全面地思索。 第7章 压电声传感器 它和换能器的电阻抗、机械Q值、指向性以及机电耦合系数都有关系。普通取陶瓷片的总长度(片厚乘以片数)为

13、换能器振子总长的三分之一左右较为适宜。第7章 压电声传感器 7.3.1 复合棒压电振子的机电等效图 从图7.8和图7.9中可以看出,复合棒压电振子的构造比较复杂,但它们不外是由喇叭形盖板、圆柱形盖板和圆柱压电陶瓷晶片堆等三种根本元件组合而成的。只需推导出这三种根本元件的机电等效图,就能得到较复杂的喇叭形压电振子的机电等效图,从而也就可以处理机电换能的一系列问题了。下面讨论如图7.10所示的,由金属喇叭形前盖板、圆柱压电陶瓷晶片堆和金属圆柱形后盖板组成的振子。 第7章 压电声传感器 实践振子的振动比较复杂,在下面的讨论中,假定在所讨论的频率范围内,振子的总长可以和波长相比,而振子的最大直径比波长

14、小得多,那么整个振子可近似看作为一复合捧,即振子只沿轴向作一维振动。图7.10 简化的喇叭形压电振子 第7章 压电声传感器图7.11 压电晶片堆的机电等效图0p1 : npC0IUF0FpZ1pZ1pZ2p第7章 压电声传感器 由p个一样的陶瓷片组成的晶片堆的机电等效图,为p个单个晶片的机电等效图的级联。根据级联实际,其机电等效图如图7.11所示。图中12233033331tan()2sin()(1),peeepeTEssZj vPk lv SZjPk lSSdCknllS第7章 压电声传感器 由运动方程和边境条件可推导出喇叭形前盖板的等效机电图,如图7.12所示。图中1和S2分别表示喇叭胫和

15、喇叭口的截面积。以下标2表示喇叭形前盖板的常数。圆柱形后盖板的等效机电图与图7.5有一样的方式,只是其中1 111 111 1121 1tan2sink lZjv Sv SZjk l 式中,S1为圆柱形后盖板的截面积。以下标1表示圆柱形后盖板的常数。第7章 压电声传感器 由喇叭形前盖板的等效机电图、压电晶片堆的机电等效图和圆柱形后盖板的等效机电图,可得图7.13所示的复合棒压电振子的机电等效图。图中1 1111 111 1111 11112tan2sin1tan()2sin()abcpeee eeepe ek lZZjv Sv SZjk lZjv Spk lv SZjpk l第7章 压电声传感

16、器图7.12 喇叭形前盖板的等效机电图 222122sinjlkSSv222122sinjlkSSv22122cotjlkSv1j1222122SSlkSv22222cotjlkSv21222221jSSlkSvF1F2Za1Zb1Z1pZ1pZa2Zb2第7章 压电声传感器2212221222212 22 212 22212222222222 22 212 2221222 21cotsin1cotsinsinabcvS Sv SSZjjv Sk lk lSjk lvS Sv SSZjjv Sk lk lSjk lvS SZjk l ZS2、ZS1为前后盖板的声辐射阻抗。 由此机电等效图可以求

17、得换能器有关机电转换的性能目的,下面来求作为发射换能器最重要的一个性能指标共振频率。第7章 压电声传感器图7.13 复合棒压电振子的机电等效图 1 : nC0IUZs2Za1Zb1Z1pZ1pZa2Zb2Z2pZc2Zs1Zc1第7章 压电声传感器 7.3.2 共振频率方程 当振子在基频振动时,两端振幅最大,中间存在一个振速为零的截面,称为节面,如图7.14所示。节面的位置随前后盖板及晶片堆的密度、声速和尺寸而改动。在设计振子时,必需确定其节面位置,以便固定振子和整体思索换能器构造。因此,在设计振子时,就可由节面将它分成两部分,从而使设计简化。图7.14中,假定截面A为振子的振动节面,由节面A

18、将其分为左右两半,经过分析计算,每一部分的机电等效图均如图7.15所示。第7章 压电声传感器图7.14 截面A将振子分为左右两半Al1le1le2l2第7章 压电声传感器图7.15 右或左半部分的机电等效图 1 : npC0UZ1pZ1pZ2pZm第7章 压电声传感器 左右部分的Zm不同,对右半部分111202222 210122 202cot1sincot(1)(1)(tan)1(1)tan(1)tantan(1)mvSj vSZjj vSklZkFlklkljk FlvSvS kl FklklF Zjv S S klk l F Fkljk l F FklZvS kFklkl F (7.1)

19、 式中 121rFrr r2和r1为喇叭口和喇叭胫的半径。Z0为喇叭盖板的辐射声阻抗，如喇叭盖板置于空气中,Z0=0,那么第7章 压电声传感器 对左半部分,可令上式F,S1=S2=S得到 222 211(1)tantan(1)mjv S klk l F FklZklFklkl F00tantantanmmZjSklZvSSjZklZjSkl假设置于空气中,那么 (7.3) (7.2) 7.4第7章 压电声传感器 机械共振频率为动态回路中总电抗等于零时的频率。设Zm=Rm+jXm,那么共振时的总电抗 211212tan2sincot0e eeeeeme eeee emk lSXjSjXjk lj

20、Sk ljX 12taneee emSk lX 即 由7.1式求出Xm代入上式即得节面右半部分的频率方程。12taneee emSk lX 第7章 压电声传感器 这里的Xm由7.3式给出。 在空气中Xm分别由(7.2)式和(7.4)式给出,即右半部分的频率方程为 2 22 22 222222 22 22 2(1)tantan1(1)() taneee eFk lF k lk lk lF Fk lk lk l 7.5 左半部分的频率方程为 11 11 1tancoteee ek lk l 7.6 第7章 压电声传感器7.4 压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器 7.4.1 弯

21、曲振动压电陶瓷换能器的原理 假设把两片极性一样的压电陶瓷薄片胶合在一同,电路上并联,如图7.16(a)所示,或把两片极性相反的压电陶瓷薄片胶合在一同,电路上串联,如图7.16(b)所示,在电场鼓励下,当某一时辰其中一片伸张时,另一片那么收缩,使陶瓷片产生弯曲振动,这就是弯曲振动压电陶瓷换能器的任务原理。 第7章 压电声传感器 为了改善换能器的机械性能和机电耦合,以及构造安装的方便,常在两陶瓷片之间胶合一金属薄片,为便于支撑和进展电衔接,金属片经常延伸到压电陶瓷片以外,如图7.16(c)所示。用金属薄片和一压电陶瓷薄片胶合在一同也同样可构成弯曲换能器,称为金属压电陶瓷双叠片弯曲换能器。这种换能器

22、构造简单,便于安装和密封,特别是边缘固定金属压电陶瓷双叠片圆板弯曲振动换能器如图7.17所示,由于其电阻抗低,机械阻抗也低,易于和电路、介质匹配,施加阻尼较易扩展带宽,性能稳定可靠,从而得到了广泛运用。第7章 压电声传感器图7.16 弯曲振动压电陶瓷换能器的任务原理图UUU(a)(b)(c)第7章 压电声传感器图7.17 边缘固定金属压电陶瓷双叠片圆板弯 曲振动换能器构造图 abh第7章 压电声传感器 由两片陶瓷薄圆片组成的弯曲换能器由能量法推导得到的共振频率方程为01001011()()()()()()0JkaI kaI kaI kaJ kaJkakaka 式中,J0(ka)、J1(ka)分别