2021年超声探头简介

超声探头

欧阳光明（2021.03.07）

句光宇1、超声波传感器工作的原理

1)压电效应

某些晶体材料受到外力作用时，不仅

发生变形，而且内部被极化表面产生电

荷；当外力去掉后，又回到原来状态，这

种现象称为压电效应。

在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。

●正压电效应：

⏹一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，内

部产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；

⏹而当外力去掉后，又恢复不带电的状态；

⏹当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；

⏹晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械

能转换为电能的现象称为正压电效应。

●逆压电效应：

⏹如果给晶体施加以交变电场，晶体本身则产生机械变形，这

种现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。

⏹ 压电效应具有可逆性。

2)石英与压电陶瓷的压电效应机理

压电式超声波传感器（超声波探头）是利用压电元件的逆压电效应，将高频交变电场转换成高频机械振动而产生超声波（发射探头）；再利用正压电效应将超声振动波转换成电信号（接收探头)。发射探头和接收探头结构基本相同，有时可用一个探头完成两种任务。

● 石英晶体的压电效应

X 轴：电轴或1轴； Y 轴：机械轴或2轴； Z 轴：光轴或3轴。

◆ “纵向压电效应”：沿电轴（X 轴）方向的力作用下产生电

荷

◆ “横向压电效应”：沿机械轴（Y 轴）方向的力作用下产生

电荷

◆

在光轴（Z 轴）方向时则不产生压电效应。 ⏹ 当沿x 轴方向加作用力Fx 时，则在与

x 轴垂直的

平面上产生电荷

x x F d Q •=11d11——压电系数（C/N ）

⏹ 作用力是沿着y 轴方向电荷仍在与x 轴垂直的平面

y y x F b a d F b a d Q 1112

-== （1112d d -=） ⏹ 切片上电荷的符号与受力方向的关系

图（a ）是在X 轴方向受压力，图（b ）是在X 轴方向受拉力， 图（c ）是在Y 轴方向受压力，图（d ）是在Y 轴方向受拉力。

⏹切片上电荷的符号与受力方向的关系：

◆正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。

◆在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电

荷。

◆沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电

荷。

●压电陶瓷的压电效应

⏹人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。

⏹压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图

◆自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它

起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷

片对外不表现极性。

◆压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将

产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被

释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，

片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因

此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。

◆放电电荷的多少与外力的大小成比例关系

Q ——电荷量；d33 ——压电陶瓷的压电系数；

=

d

Q⋅

F

33

F ——作用力。

2、决定换能器性能的关键——压电材料

1)压电材料的主要性能参数

⏹压电应变常数d33:表示在压电晶体上施加单位电压时所产生

的应变大小。

◆衡量压电晶体材料发射灵敏度高低的重要参数。其值大，

发射性能好，发射灵敏度高。

⏹压电电压常数g33：表示作用在压电晶体上单位应力所产生的

电压梯度大小。

◆衡量压电晶体材料接收灵敏度高低的重要参数。其值大，

接收性能好，接收灵敏度高。

⏹介电常数ε

◆当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε愈大，电容

C也就愈大，即电容器所贮电虽就愈多。压电晶体的ε应

根据不同用途来选取。超声波探伤用的压电晶体，频率要

求高，ε应小一些。因为ε小，C小，电容器充放电时间短,

频率高。扬声器频率低，ε应大一些。

⏹机电耦合系数K；表示压电材料机械能(声能)与电能之间的转

换效率。

⏹机械品质因子θm

◆压电晶片在谐振时贮存的机械能E贮与在一个周期内损耗

的能量E损之比称为机械品质因子θm。压电晶片振动损

耗的能量主要是由内摩擦引起的。θm值对分辨力有较大的

影响,θm值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲

宽度大，分辨力低。反之，θm值小，表示损耗大，脉冲宽

度小，分辨力就高。

⏹频率常数Nt

◆说明压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数，这个

常数叫做频率常数，用Nt表示。晶片厚度一定，频率常数

大的晶片材料的固有频率高，厚度愈小。

⏹居里温度Tc；使压电材料的压电效应消失的温度。

⏹要求具有与检测介质接近的声阻抗

2）常用压电晶片材料及其特点（性能指标）

●第一类压电材料——压电单晶体；

⏹压电单晶是天然形成或人工制成的、具有各向异性的单晶铁

电体材料，它具有压电效应是基于组成晶体结构的点阵上正负离子相对位置变化引起的。石英是一种常见的压电单晶，其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内几乎不随温度变化。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。

⏹因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶

片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。

●第二类压电材料——压电多晶体（压电陶瓷）；

⏹压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材

料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。