压电换能器的主要技术参数(V2.2)

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常用压电陶瓷发射换能器课件

压电陶瓷发射换能器的优缺点
温度稳定性差
压电陶瓷的性能受温度影响较大，温度变化会影响其工作性能。
成本较高
由于制造工艺和材料成本较高，导致压电陶瓷发射换能器的成本较高。
02
压电陶瓷发射换能器的结构与材料
压电陶瓷材料
压电陶瓷材料是具有压电效应的陶瓷材料，能够在外部电场的作用下产生形变，或者在内部应变
能器的频率响应范围。
带宽越宽，换能器的频率响应范围越广，能够产生不同频率的声
波或振动。
带宽的测量单位是赫兹（Hz），不同用途的换能器有不同的带宽
要求。
效率与损耗
01
效率是压电陶瓷发射换能器的能量转换效率，它决定了换能器的性能和效果。
02
效率越高，换能器的能量转换效率越高，能够产生更好的声波或振动效果。
02
在制造过程中，需要控制材料的成分和工艺参数，以保证换能器的性能和稳定性。
03
压电陶瓷发射换能器的性能参数
输出功率
输出功率是压电陶瓷发射换能器的重要性能参数之一，它决定了换能器的能量转换效率和使用效果。
输出功率越高，换能器的能量转换效率越高，能够产生更大的声波或振动。
输出功率的测量单位是瓦特（ W），不同用途的换能器有不同的输出功率要求。
工作原理
当压电陶瓷受到外部电场作用时，会产生形变，这种形变与电场方向相反，大小成比例。通过施加交变电场，可以产生交变的形变，从而产生声波或超声波。
压电陶瓷发射换能器的应用领域
医学成像
用于超声成像设备，如超声诊断仪、超声治疗
仪等。
无损检测
用于检测材料内部结构、缺陷等的无损检测设
备。
声学研究

超声波测试(检测)用压电换能器的选择与使用

型号
频率（kHz）可承受发射电压（V）
接收灵敏度（μv/μb）
TFS—10
10
500--2500
〉20
TFS—20
20
500--2500
〉20
TFS—30
30
500--2000
〉20
TFS—50
50
500--2000
〉20
TFS—80
80
500--2000
〉20
TFS—100
100
500--2000
苏州工业园区万象精密仪器有限公司
TEL：0512-67580695 67253426
稀土超磁致大功率发射系统
SZ-28 大功率发射机 SZ-08 稀土探头系列
压电式换能器系列
FSS 系列单发射双接收单孔测井换能器 FYS 系列声透射法测试跨孔对穿换能器 NS 系列串状接收换能器 TFS 系列平面夹芯式换能器 HKN-1 型单发双收单孔干孔换能器 HKN-2 型单发单收对穿干孔换能器 HFT 系列高频换能器 WH 系列微型换能器 PS 系列横波换能器 YS 型弯曲式接收换能器 YB-2 型增压式换能器 HN-1 型侧向测柱换能器
为了更好地发挥换能器的工作性能，满足不同测试要求，本系列产品可提供普通型（收发共用）和内置信号前放电路型（单发单收）两种规格，可根据要求选定。产品基本参数如下：
可承受接收灵敏度换能器体积
型号
频率（kHz）
发射电压 (V) (μv/μb)
（mm）
FYS--55
10
500--1500
>20
Φ55×300
SZ-PS10
同上
35KW
同上
800×50

压电陶瓷换能器

简介
超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物理领域。在现代检测技术中，利用超声技术研制的换能器以其灵敏度高、精度高等优点正在越来越受到人们的。
检测过程中常用的换能器有:压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆性，即对晶片施加电压后会发生形变。在检测过程中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利用压电效应达到接收超声波的目的。
应用
由于超声技术的非接触性等优点，尝试把压电陶瓷超声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。
压电材料的选择
压电换能器材料的主要性能参数有： (1)压电应变常数表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产生的应变大小。 (2)压电电压常数表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。 (3)频率常数压电晶片的固有频率和其厚度乘积是一个常数，称为频率常数N，由此看出晶片厚度与谐振频率成反比，而超声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速。

2020年国家开放大学电大《传感器与测试技术(本)》网络核心课形考网考作业及答案

最新国家开放大学电大《传感器与测试技术（本）》网络核心课形考网考作业及答案100%通过考试说明：2018年秋期电大把《传感器与测试技术》网络核心课纳入到“国开平台”进行考核，它共有四个形考任务，针对该门课程，本人汇总了该科所有的题，形成一个完整的标准题库，并且以后会不断更新，对考生的复习、作业和考试起着非常重要的作用，会给您节省大量的时间。

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形考作业1一、判断题（共20小题，每小题5分，共100分）题目11．测试技术在自动控制系统中也是一个十分重要的环节。

选择一项：对错题目22．金属应变片的灵敏系数比应变电阻材料本身的灵敏系数小。

选择一项：对错题目33．热敏电阻传感器的应用范围很广，但是不能应用于宇宙飞船、医学、工业及家用电器等方面用作测温使用。

选择一项：对错题目44．电容式传感器的结构简单，分辨率高，但是工作可靠性差。

选择一项：对错题目55．电容式传感器可进行非接触测量，并能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作。

选择一项：对错题目66．电容式传感器不能用于力、压力、压差、振动、位移、加速度、液位的测量。

选择一项：对错题目77．电感传感器的基本原理不是电磁感应原理。

选择一项：对错题目88．电感式传感器可以将被测非电量转换成线圈自感系数L 或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。

选择一项：对错题目99．互感传感器本身是变压器，有一次绕组圈和二次绕组。

选择一项：对错题目1010．差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。

选择一项：对错题目1111．传感器通常由敏感器件、转换器件和基本转换电路三部分组成。

选择一项：对错题目1212．电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

选择一项：对错题目1313．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。

换能器分类及性能参数

换能器分类及性能参数概述换能器主要有磁致伸缩和压电晶体两大类。

外形分类按组成换能器的压电元件形状分为薄板形, 圆片形, 圆环形, 圆管形, 圆棒形, 薄壳球形, 压电薄膜等;按振动模式分为伸缩振动, 弯曲振动, 扭转振动等;按伸缩振动的方向分为厚度, 切向, 纵向, 径向等;按压电转换方式分为发射型( 电-声转换) , 接收型( 声-电转换) , 收发兼用型等.按传播介质分为液介, 固介, 气介等。

性能参数换能器是一种能量转换器件,其性能描述和评价需要许多参数. 换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等. 不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率;而对于接收型换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等. 因此,在换能器的具体设计过程中,必须根据具体的应用,对换能器的有关参数进行合理的设计.为了确定换能器的工作状态,必须求出它的机械振动系统的状态方程式和电路系统状态方程式.换能器机械系统的状态方程式(简称为机械振动方程)是换能器处于工作状态时,描写它的机械振动系统的力和振速的关系式,而电路系统的状态方程式(简称电路状态方程式)是描写电路系统的振动特性的. 由于换能器的机械系统和电路系统是互相耦合的,所以机械系统的振动会影响到电路的平衡,而电路的变化也会影响到机械系统的振动,因此我们总是利用这些方程组分析、讨论换能器的工作特性.由上述换能器的三组基本关系式,可以对应地作出换能器三种形式的等效图. 第一种是等效机械图,将换能器等效为一个纯机械系统的等效图;第二种是把机械一边的元件和参量,通过机电转换化为电路一边的元件和参量,即把一个换能器等效为一个纯电路系统,称此为等效电路图;第三种称为等效机电图,同时包含电路一边和机械一边的等效图. 利用这些等效图可以简便地求出换能器的若干重要的性能指标.应用超声波是通过换能器将高频电能转换为机械振动。

衡量压电材料的主要参数指标

衡量压电材料的主要参数指标压电材料是一类具有压电效应的物质，即当施加压力或应力时，会在其表面产生电荷或电位差。

压电材料广泛应用于传感器、输能器、换能器和驱动器等领域。

为了衡量压电材料的性能，有几个主要参数指标需要考虑。

1. 压电系数（d）：压电系数是衡量材料压电效应强弱的重要参数。

它表示材料在单位应力或应变下产生的电荷或电位差。

压电系数是一个矢量，具有正负号，指示电荷或电位差的极性。

2. 电机械耦合系数（k）：电机械耦合系数是衡量材料将电能转化为机械能或机械能转化为电能的能力。

它表示材料的电压和应力之间的关系。

较高的电机械耦合系数意味着材料具有更高的转换效率。

3. 压电常数（e）：压电常数是衡量材料在压电效应下的物理响应的参数。

它是压电系数和电介质常数的乘积。

压电常数越大，材料在压力下产生的电荷或电位差就越大。

4. 介电常数（ε）：介电常数是衡量材料对电场的响应能力的参数。

它表示材料在电场作用下的相对介电性能。

高介电常数意味着材料能够存储更多的电荷，并具有更高的电容性能。

5. 压电负荷系数（g）：压电负荷系数是衡量材料在施加力或压力下产生的机械应变和电荷之间的关系。

它表示材料的压电效应和机械刚度之间的比例。

除了上述主要参数指标，还有其他一些次要参数指标可能对特定应用领域具有重要意义。

例如，温度稳定性、疲劳特性、频率响应等都可以影响压电材料的综合性能。

总之，压电材料的主要参数指标包括压电系数、电机械耦合系数、压电常数、介电常数和压电负荷系数等。

这些参数指标的变化将直接影响压电材料在不同应用中的性能表现。

因此，选择合适的压电材料时，需要综合考虑这些参数指标以满足具体需求。

换能器参数

换能器参数
换能器是现代电子技术中一种重要的电子元器件，其作用是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，通常包括电能、声能、磁能、热能等等。

不同类型的换能器参数也会因不同的应用场景而有所不同。

1. 传感器参数：许多换能器被用作传感器，将某个物理量转换为电信号。

传感器参数包括量程、精度、线性度、重复性等。

量程是指传感器可以测量的最大或最小物理量值，精度是指系统的准确性，表示测量结果与真实值之间的误差，通常以百分数形式表示。

线性度是指输出信号与输入信号之间的关系是直线关系的程度，重复性是指连续几次测量的结果的差异。

2. 晶体管参数：换能器中的晶体管参数包括放大系数、输出电阻、失真度等。

放大系数是指输入信号与输出信号的比例系数，输出电阻是指输出信号在负载上的电阻，失真度是指输出信号与输入信号之间的畸变程度。

3. 声波参数：换能器中的声波参数包括频率、灵敏度、输出电平等。

频率是指正、负半周时间的周期，转换能力与频率密切相关。

灵敏度是指输入声信号大小与通过换能器的输出电压的关系。

输出电平是指换能器的输出电压值，通常以分贝（dB）为单位表达。

4. 磁感应强度参数：磁感应强度参数包括输出电压、线性范围、灵敏度等。

输出电压是指磁信号输出的电压大小，线性范围是指磁信号能够被正确测量的最大
范围，灵敏度是指单位磁通量密度产生的输出电压值。

总之，换能器的参数是决定其应用效果和性能的重要因素。

在选择一款换能器时，需要根据实际需求和应用场景来综合考虑上述参数，以确保换能器的正常工作。

常用压电陶瓷发射换能器

通过正向压电效应转换的电能

输入的机械能
机电耦合系数是在理想状态下定义的，在理想状态下未转换的能量不是损耗掉，而是以弹性方式或介电方式储存起来。
(2)有效机电耦合系数
——无损耗、无负载的压电振子在机械谐振时储存的机械能与储存的全部能量之比的平方根。
ke2ff
W122 W1W2
W12 耦合能 W1 电能 W2 机械能
机械端等效图电端等效图
机电等效图
换能器参数
第三节压电圆管的径向振动
极化方式
径向极化振动模式
厚度极化
切向极化
径向极化压电陶瓷圆管
内半径r1，外半径r2，平均半径 a=(r1+r2)/2 高度为h，厚度为 t=r2-r1 要求：薄壁、短圆管。目的是为了减少耦合，使位移一致。
a>>t a>h
一、压电方程的确定
M
du dt

Rmu

udt F (t)
Cm
L dI RI Idt V (t)
dt
C
力学量力F 振速ù 位移u
质量M 机械阻Rm 柔顺系数Cm
电学量电压V 电流I 电量q 电感L 电阻R 电容C
q Idt u udt
4. 等效电路法
第二节结束
将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程；根据电路的规律可以得到电路状态方程；根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图求得。
换能器技术课程
第二章常用压电陶瓷发射换能器
第一节发射换能器的性能指标第二节等效电路法第三节压电圆管的径向振动第四节压电圆片的厚度振动第五节其它常用发射换能器

压电超声换能器(PMUT)简单介绍

压电超声换能器（PMUT）简单介绍作者：王蕾硕孙文斌来源：《科学与财富》2020年第33期摘要：本文介绍了什么是压电超声换能器，压电超声换能器的优点及其作用，以及实际生活中的应用，以及结构设计中两种常见的薄膜结构的分析，对其核心技术MEMS（微电子技术）也有所概括。

关键词：PMUT; MEMS ;氮化铝薄膜一.MEMS技术部分微细加工技术（MEMS）基于平面技术，其中两个主要方面的关键微制作技术：圆盘级工艺（包括圆片键合）和图形转移（包括各向异性和各向同性刻蚀），图形转换包括两步：光学曝光过程和物理/化学方法形成图形的过程。

㈠圆片级工艺①衬底：可选择单晶硅，单晶石英，玻璃，熔（非晶）石英，砷化镓②圆片清洗：1.强氧化剂（如7：3混合的浓硫酸和双氧水）去除所有有机污染。

2.用比例5：1：1的水，双氧水和氢氧化铵组成的混合溶液去除无机剩余物污染，这一步会产生薄氧化层，如有必要则用HF去除。

3.用6：1：1的水，盐酸和双氧水混合溶液去除各种离子型污染。

③硅片氧化：硅可以表面形成一层高质量的氧化物（在纯氧，850-1150度进行），随着氧化层增长，氧化速度越来越慢。

④局部氧化：硅片局部覆盖氮化硅时该区域不会氧化，其他部分会覆盖上氧化硅。

⑤掺杂：把少量杂质加到半导体晶体里替换原来位置原子的工艺，可改变材料的导电特性。

⑥薄膜积淀：1.物理气相积淀PVD，主要是两个方法，蒸发（对金属表面用入射电子加热蒸发，气化原子流就会到达晶片）和溅射（等离子体辉光放电）。

2.化学气相积淀CVD：先驱材料导入加热反应炉，衬底表面的化学反应导致薄膜积淀。

3.电积淀：电镀，是电化学过程。

4.旋转涂布。

5.溶胶-凝胶积淀。

⑦圆片键合：将两个圆片牢固的结合在一起。

三种工艺：直接键合，阳极键合，中间层键合。

㈡图形转移①光学刻蚀：利用光刻胶，分为接触式光刻和投影式光刻。

曝光后光刻胶变化有两种形式，负胶（未曝光区域被溶解去除）和正胶（曝光区域被溶解去除）。

压电换能器

辐射体
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