压电陶瓷换能器在超声波测距仪中的应用

　　近20年来,压电陶瓷在国内外的发展十分迅速,由于其制作简单、成本低廉、稳定性好等优点,已在电子、光、热及声学等领域得到了广泛的应用,并具有广阔的发展前景。利用压电陶瓷制作的超声换能器可以产生具有良好指向性的超声波,非常适合速度、距离等参数的测量,即使在恶劣的环境条件下也能够稳定可靠地工作。

　　1　超声波测距

　　超声波是指频率高于20 kHz的声波[1],是一种力学波。由于它具有良好的方向性和对环境的宽容性,而用于测矩技术中。超声波测距是一种非接触测距技术[2]。方法主要有脉冲法、相位法和变频法。超声波测距主要采用脉冲法[3]。脉冲法是直接通过测定载波脉冲信号在待测距离上往返传播的时间去求距离值。其公式为

　　其中,D为待测距离值;V为载波在空气中的传播速度;t2D为载波往返时间。脉冲法测距的精度受时间测定精度的影响,而时间的测定精度又受到振荡频率的影响。由(1)式可得

　　如果以超声波为载波,要求测距精度ΔD≤1 cm,则要求时间测试精度为Δt≤5.9×10 ^-5 s,即只要振荡频率达到1.7×10 ⁴ Hz即可,这是很容易实现的。

　　2　压电超声换能器

　　压电超声换能器是利用压电材料的压电效应制成。极化后的压电材料在外加电场作用下会发生机械形变,这称为逆压电效应,反之,压电材料的机械形变也会产生电压,这称为正压电效应。利用逆压电效应,可以把高频电压转换为高频机械振动,从而产生超声波;同样利用正压电效应可以把接收到的超声波振动转换为电信号。这就是超声换能器的工作原理。压电超声换能器可以看作具有电端和机械端的四端网络[4],如图1所示。

　　机械端的力F和速度v、电端的电压V和电流I相互之间的关系为线性时,就能得到常用的方程为

　　其中,Z ^V _M为恒定电压V下(或电学短路)的力阻抗;Y ^v _E为恒定速度v下的电导纳;A称为力因数,这些参数一般都是频率的函数。

　　2.1　压电材料的选择

　　制作超声换能器的压电材料包括压电单晶、多晶的压电陶瓷、压电高聚物和压电复合材料等。其中,锆钛酸铅压电陶瓷具有机械强度高、耐温耐湿、成本低以及机电耦合效果好等优点,在超声换能器中得到了广泛的应用[5]。在超声波测距仪中的超声换能器采用的就是锆钛酸铅压电陶瓷作为振子材料。

　　2.2　振动模式的选择

　　压电陶瓷在外加交变电场的作用下发生振动,从而激发超声波。压电陶瓷常用的振动模式有伸缩振动、弯曲振动和切变振动[6]。压电陶瓷振子常用的伸缩振动模式又分为长度振动模式、径向振动模式和厚度振动模式。图2显示的是圆片厚度伸缩振动模式。振子为圆片形,极化方向和外加电场都与厚度方向平行,振子沿厚度方向振动。这种振动模式的基波谐振频率与厚度成反比,适用的频率范围为30～100 kHz,相对带宽在1%～4%以内。