一文看懂超声换能器电参数测试要点

超声换能器的定义及工作原理超声换能器的定义及工作原理天堂的乌鸦的日志- 网易博客换能器参数是分三种:1.压电陶瓷片参数(可由生产厂商提供)2.小信号测量换能器(书上有介绍方法,目的为匹配和检查换能器的质量)3.大功率测量(实际产品,现很少有做测量的有效方法)换能器测量时包括的参数:F:谐振频率(既阻抗最小时的状态)FS:反谐振频率(阻抗最大时的状态)F1-F2:带宽R:动态电阻(阻抗)C0:静电容(电容表就可测得)C1:动态电容(匹配参数)L1:动态电感(匹配参数)以上数据可以通过阻抗分析仪/HP4139可以测得关键的是动态的参数1、从纯电学角度：它就是个电容，用电阻表量，不通；用电容表量有几百几千PF的容值；2、从纯机械角度：它是个能谐振的弹性东西，振动在它内部有特殊的模式，象二胡的琴弦，但比它要复杂一点，在不同频率下表现出串联谐振和并联谐振特性；3、从电声学角度：它是个转换器，加电压产生体积变化，限制它体积变化，就对限制它的物体产生力；加力在上就产生电压。

这种转换就象我们电源中用的变压器，描述变压器转换的参数是匝变比n，输入Vp输出Vs，则转换用Vp=-nVs表示，变压器两侧的参数都是电压V。

而描述换能器转换的参数是电声转换系数（电声比）Φ，电端参数电流I，声端(或叫机端)参数是声速v，转换用I= -Φv表示。

因为电学网络分析的理论较成熟，所以把力学向电学靠拢，就是说用电学的描述方式（如V、I、R、L、C等）来描述力学的规律。

在等效图的机端，力F相当于电学的电压V，声速v相当于电学的电流I，力阻抗Zm相当于电阻R。

于是在机端一侧，欧姆定律的力学形式为：F= v·Zm；机端侧的Lm、Cm等只做分析和理解用，是虚拟参数，难以实测，但可以通过其它参数的测量推算出来，如果用的到的话。

对物体施力物体就有状态变化的趋势，阻值形态变化的因素就是力阻Zm产生的原因，如损耗、变为动能、弹性势能等其它能量，于是Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·（ωM -K/ω）可以这样理解：损耗因素Rm将能量转化为换能器以外的其它能量如热损，这种能量转换是不可逆的；Xm可以理解为象LC等电元件那样存储能量的因素，包括转变为机械动能的ωM 项、产生弹性形变后变成弹性势能的K/ω项，储能这两项只是暂时存储能量，什么时候回收、什么时候它们之间相互转换，不同形、材的换能器就有不同的表现。

超声换能器参数超声换能器参数是衡量超声波传感器性能的重要指标，它们影响超声波在不同工业场景下的检测效果。

以下是超声换能器的主要参数：1. 频率：频率是指超声波换能器在一定时间内发射的电磁脉冲次数，以赫兹（Hz）为单位。

频率越高，声速换算值越大，测量精度越高，但响应时间越短，测量距离越短。

2. 相位：相位关系是指被测物反射回的信号与超声传感器发射的信号在某一时刻的相位位置偏离程度，单位为度。

此参数直接影响超声波传感器的测量精度及其安装角度的正确性。

3. 封装：封装是指超声传感器外壳的结构。

封装应满足超声传感器的使用要求，并符合工业使用环境条件，如防水、防潮、耐磨、抗冲击、耐压和重量等。

4. 振幅：振幅是指超声波传感器在发射过程中发出的振动波的一次振幅大小，通常用英寸（Inch）为单位表示。

振幅越大，超声波波形越完整，信号强度越强，但同时耗电也会较大，激光激励条件较严苛，因此振幅不宜过大。

5. 增益：增益是指超声传感器回放回被测物体发出的信号，经过噪声抑制及波形放大处理后，超声传感器读取的一种比值，单位为分贝（dB）。

增益越高，读取信号强度越大，但过高的增益可能导致信号失真。

6. 带宽：带宽是指超声波传感器在某一频率范围内的工作宽度。

7. 动态电阻（阻抗）：动态电阻是超声波传感器在运行过程中的电阻值，影响其能量转换效率。

8. 动态电容（匹配参数）：动态电容是超声波传感器在运行过程中的电容值，影响其匹配性能。

9. 动态电感（匹配参数）：动态电感是超声波传感器在运行过程中的电感值，影响其匹配性能。

这些参数可以通过专业设备进行测量，如阻抗分析仪等。

了解和调整超声换能器参数，有助于优化超声波传感器的性能和应用效果。

超声波换能器的参数及工作方式类型超声波换能器是一种能够将电能转换为超声波能量的装置。

它由压电材料组成，通过电场的作用使材料发生压缩和膨胀，从而产生超声波。

本文将从超声波换能器的参数和工作方式类型两个方面对其进行详细介绍。

一、超声波换能器的参数超声波换能器的参数对其性能和应用有着重要影响，主要包括频率、振幅、工作电压和灵敏度等。

1. 频率：超声波换能器的频率通常指的是压电材料的固有频率，即在不加电场的情况下，材料自身振动的频率。

超声波换能器的频率范围很广，从几十千赫兹到几百兆赫兹不等，可以根据具体应用需求选择适当的频率。

2. 振幅：超声波换能器的振幅是指材料在电场刺激下产生的最大机械振幅。

振幅的大小与换能器的尺寸、材料性质和工作电压等因素相关，通常通过调节工作电压来控制振幅的大小。

3. 工作电压：工作电压是指施加在超声波换能器上的电压，通过改变电压的大小和频率可以控制超声波的产生和输出。

工作电压的选择要考虑到换能器的耐受能力和应用需求。

4. 灵敏度：超声波换能器的灵敏度是指它对输入信号的敏感程度。

灵敏度越高，换能器对输入信号的响应越快速、准确。

灵敏度的大小与换能器的材料性质和结构设计等因素密切相关。

二、超声波换能器的工作方式类型根据超声波换能器的工作方式不同，可以将其分为压电式、磁电式和电动力式三种类型。

1. 压电式超声波换能器：压电式超声波换能器是应用最广泛的一种类型。

它利用压电效应将电能转化为机械能，通过电场的作用使压电材料发生压缩和膨胀，从而产生超声波。

压电式超声波换能器具有频率范围广、振幅大、能量转换效率高等优势，被广泛应用于医学成像、无损检测、清洗和声纳等领域。

2. 磁电式超声波换能器：磁电式超声波换能器利用磁电效应将电能转化为机械能。

它通过电磁场的作用使磁电材料发生形变，从而产生超声波。

磁电式超声波换能器具有振幅大、频率稳定等特点，适用于高功率和高频率的应用。

3. 电动力式超声波换能器：电动力式超声波换能器是一种利用电动力效应将电能转化为机械能的装置。

基于扫描数据可视化的超声换能器参数测量隋永杰;王雪晶;祝海江【摘要】超声探头是超声无损检测中的关键部件,其参数直接影响到对超声检测系统性能的评价与校准.在自主建立的水浸超声声场自动扫查系统基础上,以标准ASTM E1065-99为依据,利用水听器法对聚焦超声换能器声场进行扫描,并将数据可视化.在数据可视化的基础上,对声场中若干重要参数进行了测量.实验结果表明,测量结果与理论计算结果吻合程度良好,所实现的声场自动扫查系统能够真实反应出换能器空间的声场分布,能够为超声换能器应用特性的准确评价提供可信的数据.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2014(035)002【总页数】4页(P173-176)【关键词】计量学;水听器;聚焦换能器;声场特性【作者】隋永杰;王雪晶;祝海江【作者单位】北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029;北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029;北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TB95超声探头是超声无损检测中的关键部件，其参数直接影响到对超声检测系统性能的评价与校准。

本文依据美国材料实验学会发布的ASTM E 1065—99“评估超声探头特性的标准指南”［1］中要求的实验条件（器材尺寸、精度等）和实验方法（水听器法），在自主建立的水浸超声声场自动扫查系统基础上，对聚焦超探头超声场进行扫描，并将扫描结果以图像形式直观显示出来。

超声声场是抽象不可见的，因此，让声场变为可见的图形图像，直观地体现出来，是必然的需要。

现有3D数据场可视化方法主要有几何方法、颜色方法以及体绘制方法3种［2～4］。

本文通过计算机采集到电压信号，经过计算转换为声压值之后，用颜色方法描绘声场声压分布，并在可视化基础上，对声场若干重要参数（测量深度即焦距，横向分辨率即焦点直径，纵向分辨率即场深）进行了计算。

设球面探头横向半径为a，曲率半径为z0，离开声束轴线的距离为r，如图1所示。

以下是中心频率标称为70KHz的压电换能器的电学特性：
一：在空气中
电导G随频率f变化的曲线（在69.02KHz达到最大值）
并联电容Cp随频率f变化曲线
并联电阻Rp随频率f变化曲线(在69KHZ左右最小）
G
Rp
其中，蓝线代表电导随频率变化曲线，绿线代表并联电阻Rp随时间变化曲线
G
Cp
蓝线代表电导G随时间变化，绿线待变并联电容Cp随频率变化曲线
Cp
Rp 蓝线为并联电阻随频率变化曲线，绿线并联电容随频率变化曲线
二：在水中（刚好将整个发射头浸没在水中）
压电换能器放在水中，其电导值随时间变化如上图，在68.8左右达到一个最高峰，在70.5左右也有一个高峰，但是之后又会随即下降，图中对之后的数据没有画出，在这里说明
并联电阻Rp值随频率的变化在68.6左右是一个最低峰，之后还有起伏变化，如图所示
水中的并联电容随频率的变化
蓝线代表电导G，绿线代表并联电阻Rp，G的峰值与Rp的最小值大致在同一个频率，但还
是存在一定的偏差
红线代表电导G(us)，绿色虚线代表并联电容Cp(pF)
蓝线代表并联电阻Rp，绿线代表并联电容Cp(pF)
三：水中与空气中特性的比较
蓝线代表水中G随频率f变化的曲线，绿线代表空气中的G随频率变化的曲线，从图中可以清晰的辨别其峰值频率的不同，说明器件在水中和空气中的串联谐振频率是不同的
G值的大小数值的清晰比较，在水中G值显著减小，单位为（us)
蓝线代表在水中器件的并联电阻Rp随频率的变化曲线，绿线代表空气中的Rp，单位为（Ω）
蓝线代表水中时器件的并联电容Cp随频率的变化，绿线代表空气中的Cp，单位是（pF）。

超声波换能器参数的测试及阻抗测试仪核心提示：用阻抗分析仪可以评定压电陶瓷片、压电换能器、整个振动系统（超声波换能器加上变幅杆、模具）等各种器件设备的性能优劣。

用阻抗分析仪可以评定压电陶瓷片、压电换能器、整个振动系统（超声波换能器加上变幅杆、模具）等各种器件设备的性能优劣。

用阻抗分析仪分析超声器件设备，最重要的几个参数如下： 1. Fs：机械谐振频率，即振动系统的工作频率、设计中应尽可能接近期望值。

对于清洗机，振子的谐振频率一致性越高越好。

2. Gmax：谐振时的电导，振动系统工作时的电导值，它是动态电阻的倒数。

在相同的支撑条件下越大越好，Gmax＝1／R1。

一般对于清洗或焊接振子来说，一般在50ms～500ms之间。

如果太小的话，一般来说，振子或振动系统工作会有问题，如电路不匹配或转换效率低、振子寿命短。

3. C0：超声波换能器压电器件等效电路中静态支路的电容量，C0＝CT－C1（其中：CT为1kHz下的自由电容，C1为压电器件等效电路中动态支路的电容量）。

使用时要以电感对C0进行平衡。

在清洗机或超声加工机器的电路设计中，正确地平衡C0可以提高电源的功率因素，使用电感平衡有两种方法，并联调谐和串联调谐。

4. 超声波换能器机械品质因素，以电导曲线法确定，Qm＝Fs／（F2－F1），Qm越高越好，因为越高，振子的效率越高；但必须与电源匹配，Qm值太高时，电源无法匹配。

对于清洗振子来说，值越高越好，一般来说，清洗振子的Qm要达到500以上，太低的话，振子效率低。

对于超声波换能器超声加工来说，振子本身的Qm值一般在500左右，加上变幅杆之后，一般达到1000左右，再加上模具，一般达到1500～3000。

5. F2，F1：振子半功率点频率，对于超声加工的整个振动系统（包含变幅杆和模具）来说，F2－F1要大于10Hz, 否则频带太窄，电源难以工作在谐振频率点，设备无法工作。

F2－F1与Qm值直接相关，Qm＝Fs／（F2－F1）。

上海谐鸣超声设备有限公司谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1压电换能器的主要技术参数压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些：1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率；2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋于最高，该参数和系统紧密相关；3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标；4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标；5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限；6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限；7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关；8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利用换能器的动能时需参考该指标；9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化；10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标；11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑该指标；12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度；13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安装接口类型等。

以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。

此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。

压电换能器及其超声参数测定实验注意事项压电换能器是一种能够将电能与机械能相互转换的器件。

在超声参数测定实验中，压电换能器起到了重要的作用。

本文将介绍压电换能器及其在超声参数测定实验中的注意事项。

一、压电换能器的原理和特点压电换能器是一种利用压电效应将电能转换为机械能的器件。

它由压电片、电极和负载组成。

当施加电压时，压电片会产生机械应变，从而产生声波。

压电换能器具有体积小、重量轻、响应速度快、频率响应宽等特点，因此在超声参数测定实验中被广泛应用。

二、超声参数测定实验注意事项1. 实验前准备：在进行超声参数测定实验之前，需要对压电换能器进行检查，确保其电极无损坏，并且与测量设备正确连接。

同时，还需根据实验要求选择合适的工作频率和电压。

2. 实验环境：超声参数测定实验需要在无干扰的环境中进行，以避免外界噪声对实验结果的影响。

实验室应保持安静，并确保实验台面平整稳固。

3. 实验安全：在进行超声参数测定实验时，应注意安全操作。

避免触摸电极和高压电源，以防触电事故发生。

同时，实验时应佩戴适当的防护眼镜和手套，以防止误伤。

4. 实验步骤：按照实验要求进行实验步骤，确保操作的准确性和实验结果的可靠性。

在实验过程中，注意调节电压和频率，以获取所需的超声参数。

5. 实验数据：在超声参数测定实验中，需要准确记录实验数据。

包括输入电压、输出电压、工作频率等参数。

同时，还需要记录压电换能器所处的环境温度和湿度等参数，以便后续分析和比较实验结果。

6. 数据处理：对实验数据进行合理的处理和分析，计算得到所需的超声参数。

在数据处理过程中，要注意排除异常值和误差，确保结果的准确性和可靠性。

7. 结果讨论：在实验结果讨论中，要对实验结果进行合理的解释和分析。

比较不同实验条件下的结果差异，并探讨可能的原因。

同时，还可以对实验结果进行图表展示，以便更直观地表达。

8. 实验总结：在实验总结中，要对超声参数测定实验进行全面的总结和评价。

包括实验过程中遇到的问题和解决方法，实验结果的可靠性和准确性等方面。