压电换能器静态匹配电路的研究
压电换能器导纳的研究
压电换能器导纳的研究（实用版）目录1.压电换能器概述2.压电换能器导纳的定义及意义3.压电换能器导纳的测量方法4.压电换能器导纳的应用5.基于导纳的压电换能器性能评价6.结论正文一、压电换能器概述压电换能器是一种将机械振动能转换为电能或电能转换为机械振动能的装置，广泛应用于超声波检测、声波通讯、生物医学、能源转换等领域。
压电换能器的核心元件是压电陶瓷或压电聚合物，它们在受到机械应力时会产生电压，从而实现机械能和电能之间的转换。
二、压电换能器导纳的定义及意义压电换能器导纳是描述压电换能器在不同频率下电能和机械能之间转换效率的参数，它可以反映压电换能器的性能优劣。
导纳越大，表示压电换能器在某一特定频率下的能量转换效率越高。
因此，研究压电换能器导纳对于优化换能器性能具有重要意义。
三、压电换能器导纳的测量方法压电换能器导纳的测量通常采用阻抗分析法。
具体操作步骤如下：1.将压电换能器作为待测元件接入电路，通过测量电路中的电压和电流，得到压电换能器的阻抗；2.对压电换能器施加不同频率的正弦波电压，测量对应频率下的电流，得到压电换能器的导纳；3.将测得的导纳数据进行归一化处理，得到压电换能器在不同频率下的导纳圆图。
四、压电换能器导纳的应用压电换能器导纳的研究可以为实际应用提供有价值的参考信息。
通过分析导纳圆图，可以找到压电换能器在某一特定频率下的最佳工作状态。
此外，导纳还可以用于评价压电换能器的性能，为优化换能器设计提供依据。
五、基于导纳的压电换能器性能评价通过对压电换能器的导纳进行分析，可以对换能器的性能进行评价。
具体方法如下：1.计算压电换能器的平均导纳，以反映其在整个频率范围内的能量转换效率；2.分析导纳圆图中的交点，以确定压电换能器在某一特定频率下的最佳工作状态；3.根据导纳圆图的形状，评估压电换能器的性能优劣。
六、结论压电换能器导纳的研究对于优化换能器性能具有重要意义。
通过测量和分析压电换能器的导纳，可以找到其在不同频率下的最佳工作状态，为实际应用提供有价值的参考信息。
基于Matlab压电超声换能器匹配电路的研究
基于Matlab压电超声换能器匹配电路的研究张伟涛;张永俊;姚震【摘要】In order to obtain good vibration performance of ultrasonic vibrator, the efficient matching circuit must be designed. The single inductance and capacitance of the series and parallel matching circuit is studied. Using the method of equivalent circuit,matching circuit impedance formula is derived. According to the impedance formula,the different parameters of the impedance matching circuit characteristic curve are obtained by Matlab simulation platform. Through analyzing the impedance characteristic curve,the influence laws of matching circuit and parameters on system resonance frequency,impedance matching and electromechanical coupling coefficient are found out. The experimental results show that the simulation results are consistent with the experimental results. The conclusion provides some theoretical basis for design of matching circuits of piezoelectric transducer.%为了使超声振子获得良好的振动效果，必须设计高效的匹配电路。
简述压电换能器的应用原理
简述压电换能器的应用原理1. 什么是压电换能器？压电换能器是一种将电能和机械能相互转换的装置。
它利用压电效应，即压电材料在受力或施加压力时会产生电荷分布不均，从而产生电压。
2. 压电效应的原理压电效应是一种固体材料在受到机械应力作用时，发生电荷累积和电位变化的现象。
它基于压电材料的晶格结构，通过应力引起晶格变形来产生电荷。
3. 压电换能器的工作原理压电换能器利用压电效应将机械能转换为电能，或将电能转换为机械能。
其工作原理如下：•当施加机械应力或变形时，压电材料中的晶体结构会发生改变，导致正负电荷的分离。
•由于电荷分布不均，产生电势差，这个电势差即为压电换能器的输出电压。
•反之，当施加电场时，会导致压电材料的形状发生变化，从而实现机械能的转换。
4. 压电换能器的应用领域压电换能器广泛应用于以下领域：4.1 声学•压电换能器可用于扩音器、扬声器等音频设备中，将电能转换为机械能产生声音。
•在超声波领域，压电换能器可用于医疗成像、清洁、焊接等应用。
4.2 传感器•压电换能器可用作传感器，将机械信号转换为电信号，用于测量力、压力、加速度等物理量。
•在气体和液体流量测量、振动监测等领域，压电传感器也发挥着重要作用。
4.3 能源回收•压电换能器可以将机械振动或冲击转换为电能，用于能量回收和供电。
•在自行车、汽车、建筑物等振动环境中，压电换能器可以将振动能量转换为电能，用于供电。
4.4 操作控制•压电换能器可用于精密定位、形状变换等操作控制领域。
•在纳米技术、生物医学、航空航天等领域，压电换能器被广泛应用于精密运动控制系统。
5. 压电材料的选择与性能优化在设计和应用压电换能器时，选择合适的压电材料非常重要，常用的压电材料有：•钛酸锆（PZT）：具有高压电性能和良好的稳定性，常用于高精度和高功率应用。
•铅锆钛（PZT）：具有较高的压电常数和温度稳定性，广泛用于声学和传感器应用。
•四方钛酸铅（PZT）：具有高压电性能和优异的热稳定性，适用于高温环境和高功率应用。
压电超声换能器匹配层的数值分析研究
率遥
对于超声导波管道检测而言袁 检测频率通常在
20kHz - 200kHz 之 间 遥 本 文 中 检 测 管 道 为 碳 钢 管 道 袁 传
感 器 中 压 电 晶 片 为 PZT - 5 压 电 陶 瓷 片 遥 此 情 况 下 袁 如
图 3 为 304 不 锈 钢 作 为 匹 配 层 时 袁 不 同 频 率 f 所 对 应
T=
( Z1 + Z3 ) 2cos2
2仔d2 姿2
4Z1Z3 + ( Z2 +
Z1Z3 Z2
) 2sin2
2仔d2 姿2
渊2冤
式 渊 2 冤 中 袁 Z1 尧 Z2 和 Z3 分 别 是 压 电 材 料 尧 匹 配 层 和 负 载 的 声 阻 抗 袁 d2 为 匹 配 层 厚 度 袁 姿2 为 声 波 在 匹 配 层 中的波长遥 1.2 匹配层的设计要求
2 匹配层不同材料的数值分析
为了表示声强透射率随不同频率袁 不同厚度匹配
层变化的规律袁本文式; Z3 ) 2cos2
2仔d2f2 C2
4Z1Z3 + ( Z2 +
Z1Z3 Z2
) 2sin2
2仔d2f2 C2
渊3冤
式 中 袁 C2 表 示 匹 配 层 中 声 波 的 波 速 袁 f2 表 示 检 测 频
揖摘 要铱压 电 超 声 换 能 器 是 一 种 能 量 转 换 器 件 袁 可 将 电 声 信 号 互 相 转 换 袁 匹 配 层 作 为 超 声 导 波 换 能 器 的 重 要组成部分袁能实现声阻抗匹配或过渡袁使压电晶片与被测物体之间的声强透射率大幅度提高袁匹配层的声阻 抗应该在压电晶片与被测物体的声阻抗之间遥 本文利用数值分析的方法袁 分析了两种不同材料的匹配层在不 同频率下对声强透射率的影响袁为换能器的匹配层设计提供了一定的理论基础遥
压电换能器电阻抗匹配电路的分析与研究
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。
（｝１）旺配Ｉｊ；『帕…坡ｌ！｝Ｉ（ｂ）蚝配前的频｛｝｝图（Ｃ）ⅡＥ配后的匝ｌ波幽（ｄ）１儿Ｍ后的颠ｉ忤Ｈ（ａ）ｐｃ配腑的州渡豳图３１Ｐ２０Ｚ探头匹配前后的回波及频谱Ｉ堇Ｉ（ｂ）匹配靛蚺撷谗瞰（ｃ）Ｆｔ犯后的ｌ・－ｌ波；璺（ｄ）ＵＬ＾Ｃ后的顿讲涮圈４ＩＯＰＩＯＺ探头匹配前后的圄波及额谱图从圈３葶¨图４中可以看出，这两种换能器实际匹配的效果是相当不错的，匹配后．Ｊ：作频率基本得到了保证。
时域上的波形比匹配前有很大的改善。
而在频谱图上的波形也是很好的，没有其他的谐频成分，并去除了频域“双峰”，其它性能指标也较好，基本能够满足匹配的要求。
参考文献【１】敏易全近代超声原理与应用南京大学出版社２３０～２４９【２】程存弟超声技术西安：陕西师范大学出版社，１９９３，８７～８８【３】林玉书匹配Ｆ乜路对压屯脚瓷超声换能器振动性能的影响捧电与声光１９９５．８：２７～３０［３１美国无损检测手册超声卷（上）世界图书出版公司１１２～１１６—２４４——。
压电换能器等效模型分析与阻抗匹配设计
Abstract
The diffraction efficiency of an acousto-optic tunable filter (AOTF) relates to the quality of the
power source, the cutting type of the acousto-optic crystal oxidation tellurium (TeO2 ). Moreover, the structure of the piezoelectric ultrasonic transducer and the impedance matching also has great impacts on the diffraction efficiency of the AOTF. In this paper, the equivalent model of X cutting type lithium niobate (LiNbO3 , LN) piezoelectric ultrasonic transducer with an four-layered coating has been analyzed. Impedance characteristics of the transducer while the acousto-optic medium exists have been determined. And by using the microwave simulation software, the compound matching network of inductance and capacitance has been designed. The TeO2 has been stitched on the transducer using the colored light as the light source, so that to do the diffraction experiment.The results of simulations and experiments show that the matching circuit can effectively improve the impedance characteristics of piezoelectric transducer. It can improve the bandwidth of transducer, and also can improve the efficiency of energy transmission, that the diffraction efficiency of AOTF reaches up to 92.67%. Key words Acousto-optic tunable filter (AOTF), Acousto-optic, Diffraction, Piezoelectric transducer, Impedance matching
压电换能器匹配电路的设计
ＪＡＮＧ Ｋｕ ｌ Ｉ ｎｉ ｎ
（ Ｅ ＣＮ ． ｅｅｒｈＩｓｔ ｅＢ ｉｎ １０ １ ， ｈｎ ） Ｃ Ｔ ｏ３Ｒ ｓａｃ ｔｕ ， ｅｉｇ ００ ５ Ｃ ｉａ ｎ ｉｔ ｊ
２ 压 电换 能器 的电 匹配 原理
压 电换 能器是一种机 电转换元件 ， 电学和机 它有 械 两种端 口。在 机械 端是 通过 声学 匹 配元件 与 声学 负载相连 ， 而在 电端 则 是 通过 匹 配 电路 与超 声 源相 连 。声学 匹配 的好坏决 定 换能 器 的技术 特性 及 应用
【 ｂｔ ｃ】ｈ ｅ ｅ ｃｉｔｎｄｃｒｃｃｉｍ ｔ ｉ ｉ ｉｅｍｔ ｉ ｅ ｅｓ ｅ ｅｔ ｅ ｏ ｅ ａ ｍｔ ｓ ｒ Ａ ｓ ａｔＴ ｅ ｉ ｏｌ ｔ ａｓ ｅ ｒ ｔ ａ ｈ ｇ ｒ ｃ ｌ， ａ ｈ ｇｈ ａ ｒ ｎ ｍｔ ｄ ｆ ｒ ｅ ｒａ ｒ ｐ ｚ ｅ ｒ ｒ ｕ ｓ ｉｕ ｃ ｎ ｐ ｎ ｐ ｃ ｃ ｎ ｔ ｍ ｕ ｍ ｈ ｏｔ ｐ ａ ｅ ｅ ｈ
【 要】 摘 介绍 了压 电换能器 的电匹配原理 以及 匹配参数 的测定方 法。重 点介 绍 了 电陶瓷换能器与 Ｄ类功率放 压
大器之间的匹配 电路的设计及 匹配变压器的设计计算。
【 关键词 】 电换能器 ； 压 电匹配； 最大功率匹配 ； 数字音 频功率放大器
【 中图分类号】Ｔ ５ ２ Ｂ ５ 【 文献标识码】 Ａ
为一个 纯 电阻值 ， 以使信 号器把最大功率传 输到 负载
上 ， 通常称 为 调谐 ； ２ 把 换 能器 的高 阻抗 变 至 这也 （）
信 号源的低阻抗 ；３ 设 计合 理 的匹配 网络 能有效 地 （） 滤 除谐振 频率 以外 的谐 波信号分量 ， 于提高发 射 有利
压电换能器在谐振频率附近的等效电路仿真及实验研究
压电换能器在谐振频率附近的等效电路仿真及实验研究付美荣;唐勇军;陈猛【摘要】For the difficult problems in determining the optimal parameters during matching impedance near the parallel resonant frequency of the piezoelectric transducer,the parameters of matching inductance were anylyzed imitatively during matching impedance using saber software. The effects of the inductance parameters matched on either large or small of the electric cuttent in the range of resonant series and parallel frequency and on the difference of phase between current and voltage in secondaryof high frequency transformer were studied. And the experimental studies and verifications were carried on the range of series and parallel resonant frequency under conditions of no-load or load. The results show that the piezoelectric transducer output current is at its maximum,and secondary side current and voltage phase difference of high frequency transformer is zero,when the matching inductor was adjusted to a suitable size. Under condition of no load,piezoelectric transducer working with series resonant will has a better work performance. However,under condition ofload,piezoelectric transducer works efficiently under parallel resonance zone.%针对压电换能器的串并联谐振频率附近难以确定其最优匹配阻抗参数等问题，采用saber软件对阻抗匹配过程中匹配电感的参数进行仿真分析，以研究匹配电感参数对串并联谐振频率区电流大小及高频变压器次级电流电压相位差的影响。
压电超声换能器电端匹配电路研究
3 阻抗匹配的电路分析
换能器匹配电路还需进行阻抗匹配以保证电源的能量最大可能地传递给换能器. 本文将换能器和超 声频电源看成一个含源二端网络 ,通过电路分析得到在不同条件下的最佳的阻抗匹配条件. 3. 1 换能器等效含源二端网络
将超声频电源与换能器的连接电路等效为一个含源二端网络的等效电路图如图 5 所示. 超声频电源 由等效电压源 Us 和内阻 R s 组成 ,含源二端网络电源端等效阻抗 Zs = Rs + j Xs . 将换能器视为含源二端网 络的负载端 ,等效负载阻抗 Zl = Rl + j X l . 3. 2 最佳阻抗匹配条件
L′= 1/ [2πf s′) 2 C0′] ,
(2)
式中 f s′为频率漂移后的串联谐振频率 , C0′为频率漂移 、温度变化后的夹持电容. 由此可见 , 匹配电感
必须随换能器状态变化而调整电感大小. 通常的匹配电感是通过改变电感铁芯的气隙间距来实现电感大
小的改变 ,并且气隙间距与电感量值具有非线性关系 ,很难实现电感变化的自动控制.
换能器实际工作时 ,由于负载力 、温度 、湿度等随时变化 , 将导致换能器谐振频率发生漂移 , 换能器等 效电路不能再简化为图 1 ,匹配电感 L 也不再起到匹配电路应有的调谐匹配作用. 所以匹配电路要随着换 能器谐振频率漂移而改变匹配电感大小 ,实现动态调谐匹配才有意义. 能够实现动态调谐匹配的电路称为 动态匹配电路[9210] . 动态电路要满足两个条件 :一是频率跟踪 ,即确定换能器频率漂移的方向及大小. 二是 动态匹配电感 ,根据电路频率漂移带来的电压和电流的位相关系 , 即时调整匹配电感量 , 达到电压和电流 同相位 ,使换能器达到纯电阻状态.
徐春龙1 ,2 , 胡卓蕊2 , 田 华1
压电换能器
图五 夹心换能器结构示意图
99
地球物理实验
在两陶瓷片之间夹一电极，陶瓷片上侧的金属块称为配重块，下侧的金属块称为辐射 块，上下用螺丝拧紧。如采用并联结构，则压电陶瓷接触配重块及辐射块两侧均为负极， 接触电极一面均为正极，辐射体用铝轻金属，配重块用45#钢。
图六所示为夹心振子的单轴辐射特性图。曲线A表示应力或应变，在节点处有极大值，
压电换能器的主要性能指标有工作频率和频宽、指向性、阻抗、发射功率和效率、发 射灵敏度及接收灵敏度和振幅特性等。
换能器的工作频率影响着其它性能指标的变化，在使用中我们要根据不同的需要来选 择换能器的频率。对于发射换能器，一般工作在其谐振基频左右，以获得较满意的波形和 效率；而对接收换能器则要求有较宽的频带和较低的噪声；指向性是换能器的重要指标， 它直接影响实验的作用距离及定向精度；发射换能器相当于一输入阻抗，可由阻抗电桥测 得，接收换能器等效于输出阻抗，其要与发射机的输出回路及接收机的输入电路相匹配 （一般在几欧至几千欧）；功率是发射换能器在单位时间内向介质声场辐射多少能量的物 理量，功率越大，讯号传得越远。
信号 发生器
R mv
1:1
图九 串联谐振电路
并保持不变。用标准电阻箱代替换能器，改变其阻值，使毫伏表指针达到同样极小值，此 时电阻箱的阻值即近似等于换能器的阻抗。
3. 固有频率：常用方法为电桥法，其原理如图十所示。信号发生器的交变信号经变压 器加至电桥 a、c 端，R1，R2为标准电阻，可取R1=R2，R3、C1为标准电阻箱和电容箱， b、d 跨接的毫伏表作为指示用。在某一频率下，调节电阻箱和电容箱，可使毫伏表指针达 极小值，记录下此频率下的1/R及1/C，改变至另一频率，重复上述的过程，得到另一组1/R
压电换能器工作原理
压电换能器工作原理
压电换能器是一种能够将机械能转化成电能的装置，其工作原理基于压电效应。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷的分离，从而产生电势差和电荷累积。
在压电换能器中，通常使用压电材料作为换能器的核心元件。
当外力施加在压电材料上时，材料中的导电性电荷会发生重新分布，从而在材料内部产生电势差。
这个电势差可以形成一个电场，将导电性电荷推向材料的表面，导致表面产生电荷积聚。
通过连接电极，这些电荷积聚可以形成电荷流动，从而产生电流。
压电换能器可以按照不同的工作方式进行分类。
最常见的工作方式有压电陶瓷薄片和压电陶瓷振荡器。
压电陶瓷薄片是通过施加外力使压电陶瓷薄片变形，从而产生电势差的装置。
而压电陶瓷振荡器是通过施加交变外力，使压电陶瓷振动并产生电荷积聚，从而产生交流电流。
压电换能器在实际应用中有广泛的用途，例如压力传感器、声音传感器和振动能量收集器等。
在这些应用中，压电换能器可以将机械能转化为电能，从而实现信号的传输、能量的采集等功能。
压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计
压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计1回顾一下阻抗的基本概念在直流电路里欧姆定律规定了器件的电阻等于器件两段的电压与流过器件的电流之比其中R的单位是欧姆V的单位是伏特I的单位是安培在交流电路里电阻的定义被扩展加入了随时间变化而变化的电压电流的相位关系阻抗Z代表交流等效电阻而且同样是电压与电流的比值在这里电压V(t)与电流I(t)都是时间的函数与电阻一样阻抗同样用欧姆作为单位不同之处是阻抗用复数来表示任意一个复数都可以用A+jB这样的形式来表示一个复数包含两个部分实部A和虚部jB根据定义1j−=这意味着j的平方的结果是12换能器等效电路在狭窄的谐振频率范围内压电陶瓷换能器的模型可以用以下等效电路来表示串连电感L和电容C是换能器固有的跟串连谐振频率有关这个串连谐振频率可以用等效电感L和电容C来表示在谐振频率下串连等效电容C的容抗X C 完全抵消掉串连等效电感的的感抗X L 从而换能器阻抗|Z|达到极小值R 在f r 附近换能器相当于一个效率达到极值的发射体并联等效电容C 0与L,C一起产生了另外一个谐振频率并联谐振频率f a 对于压电陶瓷换能器并联谐振频率通常比串连谐振频率高几KHz f a 可用下面的等式表示在这个并联谐振频率里换能器的阻抗达到最大值在这个频率附近换能器可以等效为一个效率最高的接收器值得注意的是总体并联等效电容包括整个系统中的传输电缆连接器回波检测电路以及发射电路的等效电容所以常常需要尝试改变并联谐振频率同样值得注意的是总体并联等效电容相当于一个交流负载不但减小接收信号的振幅而且需要发射电路提供更大的电流这个总体并联电容产生的影响在给定的频率范围内可以通过选取一个合适的串连电感或者并联电感来降低外部等效并联电容对换能器的串连谐振频率没有影响3 品质因数换能器的品质因数Q是一个衡量换能器储存能量特性与耗散能量特性之间的关系的量Q用谐振时储存在换能器里的能量来表示Q还可以用以下等式来描述Q还可以用换能器在谐振频率附近的频率响应来描述其中f是换能器的-3dB带宽中心频率f r 就是串连谐振频率从等式可看出换能器在固定的串连谐振频率下Q值越大其带宽就越小4 换能器两端的等效阻抗 通常需要得到在特定频率下换能器两段呈现的特性为了这个目的我们的等效电路可以更进一步简化在一个特定频率下除了谐振频率C和L之中会有一个起到主要作用因而换能器两端将呈现出容性或者感性这两种情况可以用下图表示其中Rs串连等效电阻Xs串连等效电抗注意Rs和Xs是跟频率密切相关的串连模型不便于计算调谐匹配电路因而我们通常把串联等效电路Figure3和Figure4转换为等同的并联等效电路Figure5和Figure6Rp和Xp的值由Rs和Xs经过下面的公式转换得到跟Rs和Xs一样Rp和Xp的值跟频率密切相关假设Xp是容性那么相应的并联等效电容的值是即使Xp是感性上面的等式依然适用只是此时计算出来的Cp是负值换能器的频率特性可以用以下单位来方便地描述阻抗值和阻抗角|Z|和不管是串连等效电阻和串连等效感抗Rs jXs并联等效电阻和并联等效容抗Rc jXc还是导纳和电纳G jB5测定换能器谐振电阻以下的步骤可以测量出换能器在谐振时的大致等效电阻R谐振时R Rs Rp尽管不是十分完美在实际应用中通过这个测量步骤可以获得足够高精度的结果注意以下事项a在这个测量中换能器工作在不平衡状态一端接地b如果在给定频率下换能器两端的电压幅值不足够高那么测量得到的结果更接近于|Z|而不是R当然了测量到的结果不包含相位特性感性或容性所需设备a正弦信号发生器b可变电阻或者50到5000欧姆的固定电阻c示波器d欧姆表测量步骤1按照Figure7连接好电路将电阻大约设置为1000欧姆如果是水声应用还需要把换能器浸入水中2调整正弦信号发生器的输出频率直到从示波器上看到的波形的幅值达到最小谐振时换能器等效阻抗达到最小值此时的频率就是谐振频率并且应该落在换能器的标称工作频率附近的几KHz范围内3断开换能器的一端并且把可调电阻调节为0欧姆测量开路时的信号电压4重新连接好换能器调节可调电阻直到测量到的信号电压变为开路时的信号电压的一半为止5小心取下可变电阻用欧姆表测量它的电阻6换能器在选定频率下的等效电阻就是可变电阻的阻值加上正弦信号发生器的输出电阻即内阻6压电陶瓷换能器的匹配设计在本章里将简单介绍压电陶瓷换能器与电源的大致匹配设计最佳的匹配将实现最大的发射功率并且得到最强的回波在普通应用环境里给一个换能器例如一个水深探测器馈送能量是相当简单的事情当然了如果懂得基本原理只要稍微作一些改动就可以使其适应特别的环境像大部分电抗负载一样压电陶瓷换能器可以呈现为一个串连等效电阻和电容这两个值都和频率有关根据经典转换理论串连电路可以转换为一个完全等效的并联电路如下图所示然而不幸的是转换后的参数同样跟频率密切相关解决这些参数中由频率带来的变数的方法是让其工作在所要求的频率下废话例如在水声接收应用里这个频率就是最佳接收频率在这个准确的频率下压电陶瓷换能器的等效电阻和等效电容可以用测量得到或者直接由换能器的制造厂商提供最简单的匹配方法是用一个合适大小的电感并联在换能器两端使其与换能器的并联等效电容发生谐振从而换能器呈现出的阻抗大小接近于并联电阻Rp如果合成负载的阻抗太高以至于不能直接跟电源匹配则可以把电感换成变压器以实现高阻抗到低阻抗的变换具体实现过程和经典的RF调谐匹配一样首先电感的品质因数Q值必须是合适大小的通常是57如果Q值过低可以增加一个电容C并且减小电感量直到换能器重新变成阻性I负载在这里为了跟电源得到匹配需要增加一组低阻抗的初级线圈初级线圈和次级线圈的匝数比就是初级阻抗和次级阻抗的平方根之比尽管如此提高匝数比是受到限制的对于普通的用铁氧体磁棒和铁氧体外壳缠绕的电感而言匝数比最大大约可以达到221想要达到更大的匝数比则需要换成环形磁芯这是因为环形磁芯的磁耦合系数要比其它现有类型的磁芯大就磁耦合系数而言罐形磁芯的性能介于环形磁芯和棒状磁芯之间在前面关于调谐匹配的讨论中前提都假设电感线圈是无损耗的至少相对于换能器的等效电阻而言是可以忽略不计的要检验这其中是否有问题必须试制计算出来的线圈的样品并通过测量获得它的参数如果拥有一台阻抗分析仪可以在线圈山串连一个经过计算得到的电容然后调整频率使支路的端口电流与端口电压同相位L和C谐振此时阻抗分析仪能直接显示等效电阻值如果没有阻抗分析仪可以用下图所示的方法来测量线圈的分布电阻Rp先调整频率使检测到的相位差为0L和C谐振此时测量到的电压幅值应达到最大值分别将频率调低和调高测量出比最大响应小3dB对应的两个频率值此时其中F L 是较低的频率F H 是较高的频率线圈的等效电阻为线圈的线圈的等效电阻应该被看作并联在换能器等效电阻上如下图所示此时匹配线圈与匹配电容必须根据最新测量到的结果进行重新计算同样地现在有效的输出功率需要重新考虑若线圈的等效电阻与换能器的等效电阻相等则只有一半的能量被换能器发射出去所以应该使线圈的等效电阻相对于换能器的等效电阻而言尽可能大如果线圈已经设计好并且已经安装到电路板上可以通过在线圈上并联一个与换能器并联等效电容大小相同的电容的方法来测量线圈的等效电阻然后改变并联在电感线圈上的负载电阻R L 并计算电源输出功率当工作在换能器的谐振频率时随着R L 的变化应该得到较宽的峰值功率响应如果得不到那么应该调整匝数比或者Q值这种调谐匹配方法的优点是a 所用的器件少成本低b 电缆的阻抗最高因为损耗最小c 如果要延长电缆只需要简单添加一些固定电容器另一个也许值得考虑的方法是利用换能器的串连等效值实现调谐在这个方案里需要在换能器上串连一个电感以抵消换能器串连等效模型中的容抗电感等效电阻将串连在换能器上这个方案的缺点是需要增加另外一个电感因为总串连电阻还是比半导体电源的输出电阻大的多而且负载电流需要流过电感等效电阻使损耗增加效率降低7具体设计例子假设有一个换能器需要工作在最佳接收状态工作频率是196.0KHz并且串连等效Rs和Xs已经测量得到151j239 C3398pF由于谐振时Xc XL 电感的感抗为334.4欧姆计算这个情况下的Q值计算出来的Q值太低所以必须添加电容让我们将带负载下的Q值设为6来计算现在C的数值是所以要添加的电容是C9204-24286776pF为了与晶体管电源匹配经过计算初级线圈阻抗为3.6欧姆匝数比为这个值过小以至于可能需要用到带棒状磁芯的可调线圈如果一个71.6微亨的线圈需要55匝那么初级线圈将需要4.5匝初级线圈应该尽可能紧密地缠绕在次级线圈上以得到最大的耦合系数Use the start of the secondary coil as the high impedance end.8传入换能器的功率如果已知换能器的并联等效电阻则功率可以用下面的等式直接计算E is RMS voltsR is the parallel resistance of t当然了可以通过用示波器观测电压峰峰值的方法测量负载上的电压如果传输信号是正弦波必须除以2.83转换为RMS电压如果在计算里没有用到并联等效电阻那么可能会用到串连等效电阻但是这样做会有一点棘手9 在接收模式下的调谐匹配系统需要考虑的问题 一旦发射电路的调谐匹配工作完成还需要针对接收电路考虑些什么问题呢如果接收部分电路的输入阻抗很高并且有很大的裕量那么就可以直接通过发射调谐匹配电路取得信号如果接收电路输入阻抗裕量不够大甚至过小那么就必须采用另外的方法才能充分发挥出换能器应有的性能来同样需要采取一些措施来防止发射电压对接收电路造成破坏如果变压器的耦合系数较大那么一个较小的Q 值是比较适合的逐步减小添加的电容的容量并增加次级的电感量以维持谐振保持初级电感量不变在极端情况下甚至不用外加电容光靠换能器自身的固有电容就可以实现谐振这样将需要更高的匝数比并且在耦合系数高的情况下还能增加输出电压需要注意的是当Q值小于或等于7时等式X L =X C 将不再成立在这样的条件下只有当有关于低Q值调谐匹配方面的应用笔记出现后才能细心地一步步地根据经验将系统调试成功10 平衡与不平衡 驱动换能器的方法是由回波探测器设计师们发明的不平衡系统往往使得电信号测量更简单和容易一个不平衡的配置需要一个容量更高的电容并联在换能器上平衡系统通常需要在输出变压器上增加第三个绕组以馈送不平衡信号给接收器当屏蔽层的泄漏都相同时平衡传输线的噪声要比不平衡传输线小Airmar 通常用带屏蔽层的双绞线连接压电陶瓷元件换能器的连接根据需要可以选用平衡传输线或者不平衡传输线11注这是为了方便自己计算有选择翻译的意译很不严谨读者最好自己看原文^_^原文出处Airmar 公司 原文标题Ultrasonic Air-Ranging Transducers and Application Notes 购买探头的时候带的。
基于传输线理论的压电换能器电阻抗匹配研究
硕士学位论文基于传输线理论的压电换能器电阻抗匹配研究THE STUDY OF ELECTRICAL IMPEDANCE OF PIEZOELECTRIC TRANSDUCER BASED ON TRANSMISSIONLINE THEORY李万崇哈尔滨工业大学20201313年6月国内图书分类号：O482.1学校代码：10213国际图书分类号：534密级：公开理学硕士学位论文基于传输线理论的压电换能器电阻抗匹配研究硕士研究生：李万崇导师：张锐教授申请学位：理学硕士学科：凝聚态物理所在单位：理学院物理系答辩日期：2013年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index:O482.1U.D.C:534Dissertation for the Master Degree in Science THE STUDY OF ELECTRICAL IMPEDANCE OF PIEZOELECTRIC TRANSDUCER BASED ON TRANSMISSIONLINE THEORYCandidate：Li WanchongSupervisor：Prof.Zhang RuiAcademic Degree Applied for：Master of ScienceSpeciality：Condensed Matter Physics Affiliation：Department of PhysicsDate of Defence：June,2013Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要当今功能材料的应用越来越广泛，其研究非常活跃，而压电材料作为其中的一种，也备受研究者关注。
压电材料在工业、农业、医学等领域应用广泛，近年来特别在超声压电换能器领域研究较多，目前在高性能压电材料的应用方面还有不足，关于压电换能器的匹配研究，科研工作者多数从机械匹配也就是声学匹配方面入手，但是在电学匹配方面特别是高频领域的研究还有待突破。
压电换能器驱动电路的设计
的性 能 。而压 电换 能 器驱 动 电路 的设 计 ，涉及 阻抗 匹配 、脉 冲变 压 器 设 计 及 谐 振 变 压 器 的相 关 内 容 ，既要有 一定 的理论 基础 ，又 需要 实践 经 验 的一 门技 术 ，给广 大 的研 发 人员 的设 计 ，带来 一 定 的 困
种单 端激 励 的压 电换 能 器驱动 电路 ，利 用脉 冲变压 器进 行 阻抗 匹配 和 电压 调谐 ，具有 电路 形 式 简单 、易于
操作 的特 点 ，同时创 新性 地利 用 电压 谐 振 的 设 计 方 法 ，提 高 了压 电换 能 器 的 工作 效 率。通 过 工业 现 场 应 用 ，产品性 能指 标达 到设 计要 求 。
由于超声 波几 乎不 受光 线 、粉 尘 、烟雾 、电磁
干扰 和有 毒气 体 的影 响 ，可 以通 过 气体 、液体 和 固
体进行传播 ，所以 目 前在工业生产及其 民用领域 的 应用越来越广泛 ，例如超声测距 、超声波清洗以及 医疗 超声 检测 等 ，压 电换 能器作 为 声能 和 电能 的转
关键 词 ： 压 电换 能 器 ；脉 冲变压 器 ； 阻抗 匹配 ；电压 调谐
中图分 类号 ：Ｔ Ｂ ５ ５ ２
文献 标 志码 ：Ａ
文章 编 号 ：１ ６ ７ ３— ４ ９ ３ ９（ ２ ０ １ ５ ）０ １— ０ ０ ３ ９— ０ ４ 用他 激工作 方 式 ，换 能器 两端未 谐振 ，所 以工 作效 率低。
孥 秀 安
（ 丹 东东方测控 技 术股份 有 限公 司 电子 部 ， 辽宁 丹 东 １ １ ８ ０ ０ ２ ） 摘 要 ：压 电换 能 器驱动 电路 的设 计 ，是 整个 测量 系统 的设 计难 点 ，国 内通 常 采 用的 驱动 电路 ，工作
压电换能器阻抗匹配研究
"
式中 2 A 为铁心剩余磁感应强度， , % " 时2 （ " ）% 2 A 。 脉冲变压器在 " = , = , 3 时 - % .! 为定值， 故： （ ,） ’ 2 （ ,）) 2 A ’ .! , + /! 01 @ ， "2 确定了某个铁心及 并在 , % , 3 时达到最大值。反之， 脉冲参数后， 也可确定 /! ’ .! , 3 + "201 @ 。
图 !" 变压器匹配网络 #$%& !" ’()*+$,% ,-)./01 /2 )0(,32/04-0
+ + 根据设计要求取 .! % ;"" 2， , 3 % 1" #8， "2 % 0 % ! B "/ 4 B 0" B !" C 1 % )/ 4 B !" C 4 <) ， 1@ % "/ , @， "/ , ， 经过计算得 /! % D, ， 考虑到损耗等因素， 在实 际绕制过程中取 /! % !"" 圈。 确定 /! 之后根据设计要求算出变比为： *! ： *) % !： 0/ 66 ， 但考虑到损耗问题， 实际取 ! ： 6， 所以 /) % !"" B 6 % 6"" 圈。 )） 漏感、 分布电容和绕组电阻的测试 对于脉冲变压器， 绕组的漏感、 分布电容和绕组 电阻的存在有可能影响着输出脉冲的波形质量， 因 此要对变压器的分布参数进行详细计算或测量。 绕组的直流电阻可以用万用表直接测量， 这里 测得初、 次级电阻分别为 !/ 0 、 1/ ) !， 当窄脉冲流过 绕组时， 会产生集肤效应， 使阻值变大， 由于影响因 素很多， 难得准确的解， 可由经验公式估算： " ’（ 3 ! ( )/ !, 4 + ! ,3 ） 5E ， + + 这里 3 和 " 分别代表绕组的直流和脉冲作用期 间的电 阻， 单 位 为 !； 4 代 表 绕 组 的 线 径， 取 "/ )! <<； , 3 取 1" #8， 5 E 为临近效应系数， 取 !/ 1 ， 带入数 据计算得： " % !/ 0 3， 算得在脉冲作用期间变压器的 初、 次级绕组的阻值分别为 )/ 10 、 ,/ ;) !。将初级 绕组值带入式 （!） ， 可算出变压器的理想变比为 ! ： 0/ D ， 所以变压器的变比仍然取 ! ： 6。 漏感和分布电容的测量电路见图 ) ， 图中 @ 是 待测变压器， !、 ! 8A 为测试变压器分布参数时并联在
基于压电陶瓷材料的换能器可靠性研究
基于压电陶瓷材料的换能器可靠性研究左富强，张本华，王欣欣，姚灵（宁波水表股份有限公司，浙江宁波315032）摘要：随着超声波水流量仪表在市场中逐渐推广应用，基于压电陶瓷材料的换能器的研究也越来越深入；由于水流量仪表使用环境通常较为苛刻，产品的可靠性要求较高；本文对超声波水流量仪表的换能器可靠性进行研究，提出换能器的设计方案，并提出四种可靠性试验方法，对换能器可靠性进行试验。
关键字：压电陶瓷；换能器；可靠性Research on reliability of transducer based on piezoelectric ceramic materials ZUO Fuqiang，ZHANG Benhua，W ANG Xinxin，YAO Ling（Ningbo Wate Meter Co.,Ltd，Ningbo 315032，Zhejiang，China）Abstract: With the ultrasonic water flowrate meter has been used widely in the market, transducer based on piezoelectric ceramic materials research also more and more deeply; because of water flowrate meter using environment is usually more demanding, products requiring high reliability. This paper on ultrasonic water flowrate meter by research proposed transducer design, and puts forward the four kinds of reliability tests, and tests the reliability of transducer.Keywords: Piezoelectric ceramic，Transducer，Reliability1 引言基于压电陶瓷材料的换能器目前在水流量仪表中，主要用于超声波水表（Ultrasonic Water Meter，简称为UWM）和超声波流量计（Ultrasonic Flowrate Meter，简称为UFM），统称为超声波水流量仪表。
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第21卷第3期纺织高校基础科学学报Vol.21,No.3 2008年9月BASIC SC IENCES JOURNAL OF TEXTILE UNIVERSITIESSept.,2008 文章编号:1006-8341(2008)03-0361-03收稿日期:2008-03-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(10674090)通讯作者:林书玉(1963-),男,山东省莱州县人,陕西师范大学教授,博士生导师,主要从事换能器的研究.E -mail:sx s -dsx s@压电换能器静态匹配电路的研究郭林伟1,2,林书玉1,许 龙1(1.陕西师范大学应用声学所,陕西西安710062;2.榆林学院能源工程学院,陕西榆林719000)摘要:为了研究压电换能器的工作安全性能,提高换能器的系统效率,根据压电换能器的工作原理,利用等效电路的方法,对换能器电端常见的几种静态匹配电路的阻抗、有功电阻和匹配电感进行分析与计算,即单个电感匹配、电感-电容匹配、改进的电感-电容匹配及T 型匹配,得出各种匹配电路的最佳匹配条件.结果表明,改进的电感-电容匹配电路是一种较理想的匹配电路.关键词:压电换能器;有功电阻;匹配电感中图分类号:T B 559 文献标识码:A超声频电发生器能够提供一定频率及一定功率的超声频电能,要让此电能高效率的传输给换能器,必需在超声频电发生器与换能器之间设置匹配电路[1-2],且大功率超声设备能否高效而安全地工作,很大程度上取决匹配电路的设计.匹配电路主要有静态匹配和动态匹配2种,动态匹配一般用频率跟踪与功率跟踪技术[3-8];静态匹配是在超声频电发生器输出频率与换能器静态谐振频率相同的条件下,电端输出阻抗与换能器静态输入阻抗的匹配,它实用于要求换能器输出频率固定的应用场合,本文将对压电换能器电端常见几种电感-电容静态匹配电路进行分析,对于压电换能器的应用有极其重要的意义.1 匹配原理超声波电发生器与换能器的电端匹配,一般要解决2个问题:调谐与变阻,以此来提高超声波电发生器与换能器间的功率与效率的传输[9-10].所谓调谐,即采用外加电抗性元件调节换能器的输入电抗,使输入相角趋近于零,以减少功率传输中的无功分量;变阻,即改变换能器的有功电阻,使之与超声波电发生器的输出阻抗相接近,以达到最佳功率传输.在一般情况下,采用输出变压器来达到阻抗变换的目的[11].本文利用电感和电容的串、并联组合来实现调谐与阻抗变换.任何一压电式超声换能器,在其谐振频率附近均可用图1来等效.其中C 0为静态电容,它是在远低于谐振频率的频率上测出的换能器电容,是个真实的电学量.L 1、C 1和R 1分别是动态电感、动态电容和动态电阻,它们不是真正的电学量,而是从换能器的质量、机械顺性和损耗分别折算过来的等效参数.C 0所在的支路称作并联支路,L 1,C 1和R 1所在的支路则称作串联支路.由图1可求出换能器的阻抗为Z =[R 1+j (X L 1-1/(X C 1))]/(j X C 0)R 1+j (X L 1-1/(X C 1))+1/(j X C 0)=R +j X.(1)根据匹配原理,在机械谐振时,X =0,即X =X s =1/L 1C 1 (X s =2P f s ,f s 为串联谐振频率),串联支路中仅剩下电阻分量.可见此时的换能器为一容性负载,需要用一个电感元件来与之调谐,从而/低消0C 0产生的容抗分量.2 静态匹配类型2.1 电感匹配单个电感匹配的有并联、串联.并联电感匹配一般很少采用,如图2所示,其中并联电感L P 满足L P =1/(X 2s C 0)时,便达到谐振.此时谐振部分相当于开路,等效电路中仅剩下有功电阻R 1,减少了无功损耗,增大功率的传输.对当今占主导地位的开关型电源而言,串联电感匹配如图3所示,可以有效地抑制电源输出方波中的谐波成分,减轻功放管的负担,从此意义上来讲,串联匹配明显优于并联匹配.当串入电感L ,系统角频率在串联谐振点X s 处时,其系统输入阻抗为Z =R +j X =R 11+(X s C 0R 1)2+j X s L -X s C 0R 211+(X s C 0R 1)2.(2)其中有功电阻为R =R 1/[1+(X s C 0R 1)2];(3)串联电感为L =C 0R 21/[1+(X s C 0R 1)2].(4)图4 电感-电容匹配电路可以看出串联匹配后的有功电阻R 小于R 1,且串联匹配兼有变阻和滤波的作用,电压也小于并联匹配时的激励电压,故此法更为常用.但一般说来,超声系统谐振频率大于20kH z ,而静态电容仅为几千到几万皮法,故R 与R 1相比,并没有减少多少,即串联单个电感的变阻效果并不明显,为了进一步减小有功电阻,在上述匹配的基础上再并联一电容,等效电路原理见图4.2.2 电感-电容匹配L 和C 为匹配电感及电容.在压电换能器谐振频率附近,X s =1/L 1C 1,系统阻抗为Z =R 11+X 2s (C 0+C)2R 21+j X s L -X s (C 0+C)R 211+X 2s (C 0+C)2R 21,(5)其中有功电阻为R =R 1/[1+X 2s (C 0+C)2R 21],(6)匹配电感为L =(C 0+C)R 21/[1+X 2s (C 0+C)2R 21].(7)图5 改进的电感电容匹配电路此时,输入回路的电品质因数Q e =X s L /R.由式(6),(7)可解出匹配电容、电感的大小分别为C =(R 1/R -1)1/2/(X s R 1)-C 0,L =R 1R(C 0+C),通过改变L 、C 的值,可以实现理想匹配,且有功电阻R 进一步减小,当L 、C 一定,则品质因数Q e =X s L/R随即为定值.回路的频率特性及滤波特性确定,故它不适合动态,要使它的实用性更广泛,需作改进.2.3 改进的电感-电容匹配电路在上述匹配电路的基础上,增加一个串联可变电容C d ,如图5所示.其系统阻抗为Z362 纺 织 高 校 基 础 科 学 学 报 第21卷有功电阻为R =R 1/[1+X 2s (C 0+C)2R 21],X =X s L -1/(X s C d )-[X s (C 0+C)R 21]/[1+X 2s (C 0+C)2R 21],匹配电感为L =1X s C d -(C 0+C)R 211+X 2s (C 0+C)2R 21.由此可见,改进的匹配电路能实现理想匹配,又能满足超声频电发生器所需的频率及滤波性能,还可以改变回路的品质因数,是一种较理想的匹配电路.2.4 T 型匹配T 型网络匹配[12],相当于在串联电感L 2的基础上再并联电容C 3和串联电感L 3.如图6所示,可看作图3经理想匹配后可等效图6而来,则系统阻抗为Z =R 21+(X s C 3R 3)2+j X s L 3-X s C 3R 221+(X s C 3R 3)2.有功电阻为R 3=R 2/[1+(X s C 3R 2)2],L 3=C 3R 22/[1+(X s C 2R 2)2],其中R 2由式(3)来确定,图6中的L 2由式(4)得到.从以上推导及公式看,这种T 型网络,理论推导简单,可同时调节L 3,C 3,且值可大可小,较单个元件更易达到谐振,有功电阻可以有较大的变化,可调至和信号源相接近,能达到理想的匹配.图6 T 型匹配电路3 结 论分析了压电换能器电端常见几种静态匹配网络,推导了它们的等效阻抗,给出了匹配参数计算公式,对各种匹配进行比较,得到换能器在不同工作状态下应考虑不同的匹配方式.(1) 串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功电阻,且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹配的激励电压.(2) T 型网络匹配,理论推导简单,不必测L 1、C 1的值;且输出电阻较单个串联电感进一步减小,是一种更好的匹配网络.(3) 改进的电感-电容匹配比电感-电容匹配的可调节参数(L 、C)增多一可变电容C d ,且有功电阻也再进一步减少,Q e 也再进一步增大,滤波性能也再进一步增加,是一种较理想的匹配.参考文献:[1] COA T ES R,M A T H AM S R F.Design of matching netw or ks fo r acoustic transducers[J].U ltrasonics,1988,26(3):59-64.[2] ZH A O Z.Br oad -band elect rical matching of tr ansducer s fo r acoustic tr ansducer s[J].U ltr aso nics,1987,25(3):95-99.[3] 鲍善惠.压电换能器的动态匹配[J].应用声学,1998,17(2):16-20.[4] 鲍善惠.用锁相环电路跟踪压电换能器并联谐振频率区[J].应电与声光,2001,20(3):1-5.[5] 鲍善惠,王敏慧.超声波发生器的频率跟踪电路[J].洗净技术,2003(10):3-6.[6] 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based on escape time algorithmZH A NG L i -liang(Institut e o f M atheatics,N ingde T eachers Co llege,N ing de,Fujian 352100,China)Abstract:T he box dim ension o f complex dynamic system fractal im ag es are calculated and analyzed.Es -cape tim e algorithm is g eneralized and applied to calculate box dim ension of fr actal im ag es.T he calculat -ing exam ple is given and compared w ith other alg orithms.Exper im ent result show s that the alg orithm is accurate and reliable to the bo x dimension calculating.Key words:fractal image;box dimension;calculating methods;escape time algo rithm编辑、校对:黄燕萍(上接第363页)Abstract:In o rder to inspect the security characteristics and to increase the system efficiency of pizoelec -tric transducer,several fam iliar type inductance capacitance matching circuits of piezoelectric transducer ar e analyzed and calculated based o n the w or k principle of the pizoelectric transducer and equivalent cir -cuit metho d,it includes the single inductance matching circuit.T he inductance capacitance matching cir -cuit,the improv ed inductance capacitance matching circuit and the T -ty pe m atching circuit.T he best matching conditio ns of matching circuit ar e obtained.It is sho w n that the im pro ved inductance capac-i tance m atching circuit is better than the o thers.Key words:piezo electric transducer;effective resistance;m atching im pedance 编辑、校对:黄燕萍367第3期 基于逃逸法的分形图像盒的维数计算。