压电陶瓷换能器的应用

2021-06-10 02:45:05

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由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷换能器应用在液体浓度检测系统当中。系统中的芯片采用的是Spartan 3E系列FPGA。压电陶瓷换能器在其中担当着发射信号和接收信号的重要功能。把换能器产生的一定频率和幅值的超声信号，通过发射电路打入液体内部。

经过液体对信号的衰减，从接收换能器端可以接收到带有液体浓度信息的信号。再通过声衰减法的分析，有效得出液体的近似浓度。系统的软件设计包括主程序，超声测量程序，脉冲控制程序，脉冲收发程序，ADC采集控制程序以及时钟和报警程序。

实验中可以先对静态液体进行测量，利用超声衰减法，分析接收端收集的信号，进行包络等处理，结合信号传播路径（管道直径）得出浓度信息。再对动态液体进行动态测量，信号传播路径要考虑到液体的流速，计算出大致路径。

压电陶瓷换能器

压电陶瓷换能器有两种材料：磁致伸缩金属和压电陶瓷。本文的目的是设计用于大功率机械超声加工的换能器，因此只讨论压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器作为一种能量传输网络，存在能量转换效率问题。转换效率与换能器材料、振动形式、机械振动系统（包括支撑机构）的结构以及工作频率的选择有关。

因此在超声换能器的设计中，应该考虑各种因素，如声阻抗、频率响应、阻抗匹配、声学结构、振动模式和转换材料，以及如何设计和协调这些因素，以使电声转换达到期待值。压电陶瓷换能器是一种具有压电特性的电子陶瓷材料，与不含铁电成分的典型压电石英晶体的主要区别在于，构成其主要成分的晶相都是铁电晶粒。

因为陶瓷是具有随机取向晶粒的多晶聚集体，所以每个铁电晶粒的自发极化矢量也是迷失方向的。为了使陶瓷表现出宏观压电特性，压电陶瓷必须在烧制后在强直流电场中极化，端面经受多个电极，从而原始无序取向的极化矢量优先取向于电场方向，电场消除后，极化处理后的压电陶瓷将保持一定的宏观残余极化强度，从而使陶瓷具有一定的压力。