超声探头简介

超声探头

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

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，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

•=11 d 11——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。

⏹压电瓷的压电效应

压电瓷片束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图

◆自由电荷与瓷片的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消瓷片极化

强度对外的作用，因此瓷片对外不表现极性。

◆压电瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，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，瓷片恢

复原状，片的正、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

F

d

Q⋅

=

33

Q ——电荷量；d33 ——压电瓷的压电系数；

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。

)

/

(

33

V

m

U

t

d

∆

=

◆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。

)

/

(

33

N

m

V

P

U

g P•

=

◆ 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

A

t C =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。

输入的能量

转换的能量=K ⏹ 机械品质因子θm

损

贮E E m =θ ◆ 压电晶片在谐振时贮存的机械能E 贮与在一个周期损耗的能量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

常数）(2

0L t c tf N == ◆ 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，在常温围几乎不随温度变化。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（压电瓷）；