压电换能器阻抗匹配研究

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压电换能器阻抗计算

压电换能器阻抗计算
压电换能器是一种能将机械能转化为电能的装置，其主要原理是利用压电材料的压电效应。

在应用中，常需要计算压电换能器的阻抗，以便确定其电路参数和性能特点。

压电换能器的阻抗计算是基于其电路模型和材料特性进行的。

首先，需要了解压电换能器的电路模型。

一般而言，压电换能器可以简化为一个等效的电路模型，包括一个压电元件和一个负载电阻。

压电元件可以用一个电容和一个电感来模拟，而负载电阻则代表了外部电路的阻抗。

接下来，需要考虑压电材料的特性。

压电材料具有特定的压电系数，即在施加力或应力时，会产生相应的电荷或电势。

这个压电系数可以用来计算压电元件的电容和电感。

在计算压电换能器的阻抗时，可以通过分析电路模型和材料特性，结合基本的电路理论和计算方法来进行。

其中，压电元件的电容和电感可以通过材料特性和几何尺寸来计算，而负载电阻则可以通过外部电路的特性来确定。

需要注意的是，压电换能器的阻抗计算需要考虑频率的影响。

由于压电材料具有频率依赖性，其电容和电感在不同频率下会有不同的数值。

因此，在计算阻抗时，需要考虑工作频率对电路模型和材料特性的影响。

压电换能器的阻抗计算是基于电路模型和材料特性的分析和计算。

通过合理的电路设计和材料选择，可以实现压电换能器在特定频率范围内的高效能转换。

这对于压电技术的应用具有重要的意义，例如在能量收集、传感器、声波发射和接收等领域中的应用。

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。

压电换能器阻抗计算

压电换能器阻抗计算
压电换能器是一种能将机械能转化为电能的装置。

它利用压电材料的特性，当受到外力作用时，会产生电荷分离，从而产生电压。

压电换能器广泛应用于传感器、声波发射器和接收器等领域。

阻抗计算则是用来评估压电换能器在工作时的电路特性。

在计算压电换能器的阻抗时，我们需要考虑到压电材料的厚度、面积以及材料的特性等因素。

阻抗计算的目的是为了确定正确的工作频率范围，以及为电路设计提供参考。

我们需要了解压电材料的厚度。

厚度越大，相应的阻抗也会增加。

这是因为厚度的增加会导致电荷分离面积的增加，从而增加了电容。

因此，厚度是影响压电换能器阻抗的一个重要因素。

我们需要考虑压电材料的面积。

面积越大，电容也会相应增加，导致阻抗增加。

因此，面积也是影响压电换能器阻抗的一个重要因素。

压电材料的特性也会对阻抗产生影响。

例如，压电材料的介电常数会影响电容的大小，从而影响阻抗。

另外，压电材料的压电系数也会影响阻抗的计算。

压电换能器的阻抗计算需要考虑厚度、面积以及材料的特性等因素。

通过合理计算阻抗，我们可以确定合适的工作频率范围，并为电路设计提供参考。

压电换能器的阻抗计算是一个重要的步骤，对于实
现高效能量转换和系统设计具有重要意义。

通过以上对压电换能器阻抗计算的描述，我们可以更好地理解这一领域的知识，并在实践中灵活运用。

压电换能器的阻抗计算不仅仅是一种技术手段，更是一种对于材料和能量转换原理的理解与应用。

希望通过不断学习和探索，我们能够在压电换能器领域有所突破，为人类的科技发展做出更大的贡献。

压电超声换能器初级串联匹配新方法

压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器是一种将电能转换为机械能的装置，广泛应用于超声波清洗、超声波焊接、超声波探测等领域。

在压电超声换能器的应用中，电端匹配是非常重要的一环，直接影响到换能器的效率和性能。

传统的电端匹配方法是通过在换能器电端串联或并联电阻、电容或电感来实现的。

但是，这些方法存在一些问题，如匹配精度不高、调试复杂等。

为了解决这些问题，一些新的电端匹配方法被提出。

其中，一种新型的压电超声换能器初级串联匹配法被认为是一种有效的方法。

该方法通过在换能器初级串联一个合适的电容来实现电端匹配，具有匹配精度高、调试简单等优点。

该方法的原理是基于空芯变压器模型理论。

在压电超声换能器中，电场和磁场的作用是通过空芯变压器模型理论来描述的。

该理论认为，在一定的频率下，压电陶瓷的介电常数会发生变化，从而改变换能器的等效电容和等效电感。

通过在初级串联电容，可以调节换能器的等效电容和等效电感，从而实现电端匹配。

具体实现上，该方法需要选择合适的电容值，并进行实验验证。

通过调整电容值，可以使得换能器的阻抗在一定频率范围内与负载阻抗相匹配。

实验结果表明，该方法可以显著提高换能器的转换效率和输出功率。

总之，压电超声换能器初级串联匹配新方法是一种有效的电端匹配方法，具有匹配精度高、调试简单等优点。

通过该方法的应用，可以提高压电超声换能器的性能和效率，进一步推动超声技术的应用和发展。

压电超声换能器匹配层的数值分析研究

压电超声换能器匹配层的数值分析研究作者：匡泓锦郭永强杜斌来源：《科技视界》2017年第25期【摘要】压电超声换能器是一种能量转换器件，可将电声信号互相转换，匹配层作为超声导波换能器的重要组成部分，能实现声阻抗匹配或过渡，使压电晶片与被测物体之间的声强透射率大幅度提高，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。

本文利用数值分析的方法，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，为换能器的匹配层设计提供了一定的理论基础。

【关键词】超声导波；压电晶片；换能器；匹配层0 引言研究表明，仅有好的发声材料还不能保证一定能制备出高性能的超声导波换能器，因为压电材料和被测物体之间的声阻抗失配将使得声能无法有效传递[1]。

以水听器为例，当没有匹配层耦合时，压电式传感器中压电陶瓷片的声阻抗约为33.7×106Pa·s/m，水的声阻抗为1.51×106Pa·s/m，其声强透射率仅为0.16。

通过合理的匹配层，可以使压电晶体和被测物体之间的声强透射率得到大幅度的提高，实现声阻抗匹配或过渡，使得灵敏度提高，失真减小。

一般在超声成像，超声检测及超声探伤等一些小信号场合应用超声换能器的声学匹配，在超声匹配过程中，起到声阻抗匹配或过渡作用的材料主要是匹配层材料。

合适的匹配层可以使超声换能器的灵敏度和能量传输效率提高，选择合适的匹配层材料对换能器而言至关重要[2]。

因此，本文分析不同材料作为匹配层对声强透射率的影响，为压电式换能器的设计提供一定的参考。

1 匹配层的设计原理1.1 匹配层设计的声学基础超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称为反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称为透射波。

在界面上声能的分配和传播方向的变化都遵循一定的规律。

当超声波垂直入射到光滑平界面时，将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波，在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波，如式1所示。

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

功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｐｏｗｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ，ｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｍａｔｃｈｉｎｇｉｍｂａｌａｎｃｅｏｆｄｕｅｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｌｏａｄｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈｅｒｅｒｒｏｒ
ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｄｅｓｉｇｎｔｏｏｌｆｏｒｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｏｆｐｏｗｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．
功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计
韩丽轩，于保华，胡小平
（杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州３１００１８）
摘

换能器阻抗匹配计算

换能器阻抗匹配计算1.引言1.1 概述换能器是一种将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。

它在各种领域中被广泛应用，例如声学、电子、光学等。

换能器的基本原理是根据特定的物理原理，通过电信号或其他形式的输入驱动，将一种能量形式转化为另一种能量形式。

阻抗匹配是换能器设计中非常重要的一个方面。

换能器的阻抗匹配决定了其性能和效率。

阻抗匹配是指将发射端（或输入端）的阻抗与接收端（或输出端）的阻抗相匹配，使得信号能够最大程度地传输，减少信号的反射和损耗。

换能器的阻抗匹配需要考虑多种因素，如换能器的特性、工作频率、信号传输距离等。

一般来说，当信号源的阻抗与负载的阻抗不匹配时，会导致信号的反射和信号的损耗。

因此，为了获得最佳的信号传输效果，需要对换能器的阻抗进行合理的匹配。

本文将重点探讨换能器阻抗匹配的计算方法。

通过分析阻抗匹配的原理和依据，探讨如何计算换能器的阻抗匹配。

通过合理的阻抗匹配计算，可以获得更好的信号传输效果，提高换能器的性能。

接下来的章节将依次介绍换能器的基本原理、阻抗匹配的重要性以及本文的结论。

通过深入理解和掌握阻抗匹配的计算方法，读者可以更好地应用于实际工程设计中。

1.2 文章结构文章结构部分:本文分为引言、正文和结论三个部分。

在引言部分，首先概述了本文要讨论的主题——换能器阻抗匹配计算，并介绍了文章的结构和目的。

接下来是正文部分，主要包括两个内容：换能器的基本原理和阻抗匹配的重要性。

在换能器的基本原理中，将详细解释换能器的定义、分类和工作原理，以帮助读者对换能器有更深入的理解。

而阻抗匹配的重要性部分，则会讨论为什么在使用换能器时需要进行阻抗匹配，以及不同阻抗匹配方法的优缺点。

这两个内容将帮助读者全面了解换能器及其阻抗匹配方面的知识。

最后是结论部分，总结了本文的主要观点和结论。

结论一将指出换能器阻抗匹配的重要性和实际应用。

结论二则提出了进一步研究和改进的方向，以期为换能器阻抗匹配计算提供更精确和高效的方法。

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——。

压电换能器阻抗匹配研究

, ! -?,， /! 01 @ "
"
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

压电陶瓷换能器阻抗匹配

压电陶瓷换能器阻抗匹配
压电陶瓷换能器的阻抗匹配是指将换能器与其所连接的电路或系统之间的阻抗进行调整，以实现最大功率传输和能量转换效率的优化。

阻抗匹配通常通过使用适当的电路元件来实现，例如电感、电容等。

换能器的阻抗主要包括输入阻抗和输出阻抗。

在输入端，为了有效地传递信号给换能器，输入阻抗应该和信号源的输出阻抗相匹配。

如果输入阻抗过高，信号源无法将足够的功率传递给换能器；如果输入阻抗过低，信号源将无法提供足够的电流给换能器。

因此，需要选择合适的电路元件来调整输入阻抗，以使其与信号源的输出阻抗匹配。

在输出端，为了有效地将换能器转换的能量传递给负载或接收器，输出阻抗应该和负载或接收器的输入阻抗相匹配。

如果输出阻抗过高，将导致能量无法有效地传递给负载；如果输出阻抗过低，会产生反射，并导致能量损失。

因此，同样需要选择合适的电路元件来调整输出阻抗，以使其与负载或接收器的输入阻抗匹配。

在实际应用中，可以根据具体的系统要求和换能器参数来进行阻抗匹配设计。

通常使用网络分析仪等测试设备来测量换能器的阻抗，并进行合适的电路设计和调整，以实现最佳的阻抗匹配效果。

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。

实际支承工况下压电换能器等效电路实验研究

导纳圆实验数据拟合，得相应的等效电路参数。结果表明，换能器不同振动模态下，效并联电容电阻并非恒获在等
定值，而且实际支承工况下换能器系统工作时存在负阻尼效应。关键词：声键合；心式压电换能器；纳圆拟合；效电路超夹导等
实际支承工况下压电换能器等效电路实验研究
周宏权，韩雷
（中南大学机电工程学院，南长沙４０８）湖１０３
摘
要：利用直接数字合成器（Ｓ对夹心式换能器进行扫频，得两个不同共振频率附近的导纳圆。通过ＤＤ）测
ＺＨＯＵｎｇｑｕｎ，ＨＡＮｉＨｏ — ａＬｅ
（ｎｒｌＳｕｈＵｎｉｅｓｔＣｅｔａｏｔｖｒｉｙ，Ｃｈｎｓ１０３，Ｃｈｎ）ａｇｈａ４０８ｉａ
ＡｂｔａｔＴｈｉｅｔｄｇｔｌｙｔｅｉｅＤＤＳ）ｉｕｅｏｓｅｒｑｅｃｏａｄｃｉｚｅｅｔｉｔａｓｕｅｓｒｃ：ｅｄｒｃｉｉｎｈｓｚｒ（ａｓｓｓｄｔｗｅｐｆｅｕｎｙｆｒａｓｎｗｉｈｐｅｏｌｃｒｃｒｎｄｃｒｔｄｉａｃｉｃｅｆｔｅｔａｓｕｅｂｕｗｏｄｆｅｅｔｒｓｎｎｅｆｅｕｎｉｓｉａｕｅ．ｉｈａｍｉｔｎｅｃｒＷＯａｍｔｎｅｃｒｌｓｏｈｒｎｄｃｒａｏｔｔｉｒｎｅｏａｃｒｑｅｃｅｓｍｅｓｒｄＷｔｄｔａｃｉｔｆ — ｃｅｆｔｎｏｅｐｒｌｉｉｇｔｘｅｉｎａａｑｉａｅｔｉｕｔｐｒｍｅｅｓｃｎｂｂａｎｄＴｈｅｕｔｓｏｔｍｅｔｄｔ，ｅｕｖｌｎｒｉａａｔｒａｅｏｔｉｅ．ｃｃｅｒｓｌｈｗｓｎｅｉｅｅｉ，ｕｄｒｄｆｒｎｔｖ — ｆｂａｉｎｍｏｅｑｉａｅｔｐｒｌｌｃｐｃｔｎｅａｄｒｓｓａｃｒｏｏｓａｔｖｌｅＴｈｒｓｎｇｔｖａｆｅｔｉｒｔｄ，ｅｕｖｌｎａａｌａａｉｃｎｅｉｔｎｅａｅｎｔｃｎｔｎａｕ．ｏｅａｅｅｉｅａｉｅｄｍｐｅｆｃｎ

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。

压电换能器阻抗计算

压电换能器阻抗计算
压电换能器是一种将机械能转化为电能的装置，它的工作原理是利用压电效应使得晶体振动，振动产生电荷积累，从而产生电压信号。

为了对压电换能器进行性能分析和优化设计，需要对其进行阻抗计算。

可以使用Comsol软件进行计算，具体步骤如下：- 在建立压电换能器的模型时，需要设置合适的材料参数，包括压电系数、介电常数、密度和机械刚度等参数。

- 在Comsol中进行物理场的建模，将压电换能器的机械振动和电荷积累过程同时考虑，设置成电-机械耦合问题。

- 进行阻抗计算时，可以建立一个电路模型，在模拟软件中使用等效电路来模拟压电器和电路之间的相互作用。

通过对电路的参数进行调整，可以实现电路和压电换能器之间达到匹配的目的。

- Comsol还支持有限元分析方法，能够对压电换能器的结构进行精确建模，进行压电换能器的阻抗计算。

从而可以更准确的分析压电换能器的性能、设计和优化。

总之，Comsol是一款功能强大的多物理场模拟软件，能够帮助工程师进行压电换能器的阻抗计算和性能优化等工作，具有重要的实际应用价值。

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