毫瓦级超声功率传递标准的研制

　　1 引言

　　超声技术正日益广泛的应用于医疗领域, 如各类超声诊断仪、超声监护仪、超声治疗仪、超声洁牙美容仪等超声类医疗保健设备正逐渐得到普及, 对其输出的超声功率要求尽可能准确的进行测试。目前, 各级计量检测机构、生产厂家和医疗部门, 通过用各种超声功率计对超声诊断仪、超声治疗仪、超声监护仪的超声输出功率大小进行测试, 而全国各级计量检测部门的瓦级、毫瓦级超声功率计要通过国家的瓦级超声功率基准和副基准、毫瓦级超声功率基准和副基准进行量值传递,很不现实, 因此, 我们研制了一套便携式、经济实用、准确可靠的毫瓦级超声功率传递标准, 通过在毫瓦级超声功率基准上进行溯源, 来对毫瓦级超声功率计进行校准。

　　2 超声换能器的研制

　　研制一套毫瓦级超声功率传递标准, 其实就是研制一套标准超声源, 其工作原理图如图1所示。功率信号源与阻抗匹配器和超声换能器组成一套超声功率源, 功率信号源的激励信号经功率放大,通过阻抗匹配器施加至超声换能器上, 改变激励信号的幅值, 使其可以向水中辐射所需的超声功率。超声功率源输出的超声功率先在毫瓦级超声功率基准上进行校准, 再将超声功率这一量值进行传递。在该套毫瓦级超声功率传递标准的研制过程中, 技术的关键主要是根据需要研制出一系列超声换能器。某些各向异性的材料, 在外部拉力或压力的作用下, 引起材料内部原来重合的正负电荷中心发生相对位移, 在相应表面上表现为符合相反的表面电荷, 即在机械力的作用下产生了电场, 将机械能转变为电能的效应, 即所谓的正电压效应。而在压电材料表面沿着电轴方向加上电压时, 由于电场作用, 引起材料内部正负电荷中心位移, 从而导致宏观上的几何形变, 这种将电能转变为机械能的效应即所谓的逆压电效应。该套毫瓦级超声功率传递标准中, 主要是根据逆压电效应, 研制超声波发射换能器。

　　毫瓦级超声功率基准中的标准超声换能器使用的是石英晶体压电材料, 其采用X轴零切割制作的园片作压电元件, 在X轴施加交变电场, 产生厚度的压缩与伸张即厚度振动。外加交变电场频率与石英晶片固有的振动频率一致时, 产生共振振幅可最大。石英晶体的固有频率与厚度有关, 晶片越薄固有振动频率越高。虽然其性能相当稳定, 但是其选材较困难, 制作加工工艺要求高, 难度较大, 机电耦合系数低, 匹配与驱动要求更高, 制作成本高。压电陶瓷是人工制作的压电多晶体材料, 在未极化前是多畴的, 内部电畴排列方向紊乱, 取向任意, 电极性能互相抵消, 无压电性能; 当在压电陶瓷制作过程中用较矫顽电场更强的直流电场进行一定时间的极化处理后, 使多畴晶体变为单畴晶体, 促使自发极化作定向排列, 从而使压电陶瓷具有压电性能。因此, 在外施加交变电场作用时, 在宏观上形成了电致伸缩的现象。厚度伸缩振动的谐振频率与厚度的关系为: