壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展

1、超聲波維修www.chaoyinbo.gwxfu壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展摘要:壓電換能器是超聲技術(shù)的主要部件其種類多用途及發(fā)展前景廣。該文回顧了超聲換能器的發(fā)展歷程概括總結(jié)了壓電超聲換能器的分類和應(yīng)用分析了壓電超聲換能器的發(fā)展趨勢(shì)。大功率、低壓驅(qū)動(dòng)、高頻、薄膜化、微型化、集成化是當(dāng)前的發(fā)展方向。超聲換能器是實(shí)現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件。最早的超聲換能器是P1郎之萬(P1Langevin)在1917年為水下探測(cè)設(shè)計(jì)的夾心式換能器。這個(gè)換

2、能器是以石英晶體為壓電材料用兩塊鋼板在兩側(cè)夾緊而成的。1933年以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、功率容量大迅速取代了當(dāng)時(shí)的郎之萬換能器。到了50年代由于電致伸縮材料、鈦酸鋇鐵電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的研制成功使郎之萬型超聲換能器再度興起。目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣且對(duì)超聲測(cè)量精度、測(cè)量范圍、超聲功率以及器件的微小化程度的要求越來越高。目前妨礙超聲廣泛應(yīng)用的原因是缺少適用、可靠、經(jīng)濟(jì)、耐用的超聲換能器。超聲換能器歷來是各種

3、超聲應(yīng)用的關(guān)鍵部件國內(nèi)外均大力研究近年來取得了很多成就。本文將介紹壓電超聲換能器的種類、應(yīng)用和發(fā)展。1壓電超聲換能器的種類壓電超聲換能器的種類很多按組成超聲換能器的壓電元件形狀分為薄板形、圓片形、圓環(huán)形、圓管形、圓棒形、薄殼球形、壓電薄膜等按振動(dòng)模式分為伸縮振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等按伸縮振動(dòng)的方向分為厚度、切向、縱向、徑向等按壓電轉(zhuǎn)換方式分為發(fā)射型(電2聲轉(zhuǎn)換)、接收型(聲2電轉(zhuǎn)換)、發(fā)射2接收復(fù)合型等。2壓電換能器的應(yīng)用壓電換能器的

4、應(yīng)用十分廣泛它按應(yīng)用的行業(yè)分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、生活、醫(yī)療及軍事等按實(shí)現(xiàn)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測(cè)、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、遙測(cè)、遙控等按工作環(huán)境分為液體、固體、氣體、生物體等按性質(zhì)分為功率超聲、檢測(cè)超聲、超聲成像等。(1)壓電陶瓷變壓器壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動(dòng)振動(dòng)波通過輸入和輸出部分的機(jī)械耦合到輸出部分輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷實(shí)現(xiàn)壓電體的

5、電能2機(jī)械能2電能的兩次變換在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比這具有體積小質(zhì)量輕功率密度高效率高耐擊穿耐高溫不怕燃燒無電磁干擾和電磁噪聲且結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、易批量生產(chǎn)在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點(diǎn)。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖超聲波維修www.chaoyinbo.gwxfu種子生長速度提高2～3倍。(8)電子血壓計(jì)利用壓電換能器接收血管的壓力當(dāng)氣囊加壓緊壓血管時(shí)因外加壓力高于血管舒張壓

6、力壓電換能器感受不到血管的壓力而當(dāng)氣囊逐漸泄氣壓電換能器對(duì)血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時(shí)二者的壓力達(dá)到平衡此時(shí)壓電換能器就能感受到血管的壓力該壓力即為心臟的收縮壓通過放大器發(fā)出指示信號(hào)給出血壓值。電子血壓計(jì)由于取消了聽診器可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。(9)遙測(cè)遙控在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中人們不能接近工作需要遠(yuǎn)地控制電視機(jī)電風(fēng)扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控都可裝上壓電超聲換能器通過遠(yuǎn)地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收把

7、聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)使開關(guān)動(dòng)作。(10)交通監(jiān)測(cè)現(xiàn)代交通自動(dòng)監(jiān)測(cè)車輛的通行和計(jì)數(shù)以便掌握車輛的運(yùn)行情況是非常必要的。如交通監(jiān)理站安裝一個(gè)收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設(shè)備當(dāng)車輛通過時(shí)就有一個(gè)聲脈沖返回通過計(jì)數(shù)累計(jì)可得到日行車輛的數(shù)量。給汽車尾部裝一個(gè)收發(fā)兩用的換能器可防止倒車相撞事故發(fā)生。在公路上安裝接收型壓電超聲換能器還可以監(jiān)測(cè)噪聲指數(shù)。(11)測(cè)距超聲測(cè)距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器測(cè)量脈沖時(shí)間間隔。目前的聲尺可測(cè)10m以內(nèi)的

8、距離精度可達(dá)千分之幾。(12)檢漏及氣體流量檢測(cè)對(duì)于壓力系統(tǒng)在泄漏處由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對(duì)于非壓力系統(tǒng)可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個(gè)超聲源然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時(shí)測(cè)到的信號(hào)幅度極小或沒有在泄漏處信號(hào)幅度有突然增大的趨勢(shì)。氣體流量檢測(cè)也是化工中的重要手段之一。流量檢測(cè)目前有多種方法如浮子流量計(jì)等。但超聲法主要優(yōu)點(diǎn)是不妨礙流體的流動(dòng)。(13)機(jī)器人成像信息采集智能機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在空間自由行走、辨認(rèn)物體等功

9、能不僅要用超聲換能器測(cè)距導(dǎo)盲而且要成像辨識(shí)。所以需要小型的超聲換能器陣以實(shí)現(xiàn)多種功能這方面將成為一項(xiàng)重要的研究課題吸引著眾多的科學(xué)家為之奮斗[3]。表1為壓電換能器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。表1壓電換能器的應(yīng)用Table1Theapplicationofpiezoelectrictransducers應(yīng)用環(huán)境性質(zhì)實(shí)例液體檢測(cè)測(cè)深、魚群探測(cè)、水中電話、潛艇、聲納浮標(biāo)、標(biāo)靶、流量計(jì)、波浪測(cè)量、水聽器、水下地形顯示、粘度測(cè)量、流速測(cè)量功率清洗、乳化、