压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
压电陶瓷性能参数解析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
在机械自由条件下，测得的介电常数称为自由介电常数，在εT表示，上角标T表示机械自由条件。在机械夹持条件下，测得的介电常数称为夹持介电常数，以εS表示，上角标S表示机械夹持条件。由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。 根据上面所述，沿3方向极化的压电陶瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。 （2）介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所 具有的重要品质指标之一。在交变电场下，介质 所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分（同 相），由电导过程所引起的；一种为无功部分 （异相），是由介质弛豫过程所引起的。介质损 耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示， Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I 的夹角为δ，其正切值为 (1-4) 式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。由式（1-4）可以看出，I R大时，tanδ也大；I R小时tanδ也小。通常用 tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。 处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。此外，具有铁电性的压电陶瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比较复杂，因此，在此不予详述。 （3）弹性常数 压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。设应力为T，加于截面积A的压电陶瓷片上，其所产生的
电子工程师的设计经验笔记(经典) 关键字：电子工程师设计经验 电子工程师必备基础知识(一) 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 更多阅读：电容性负载的稳定性—具有双通道反馈的RISO(1) 电子工程师必备基础知识(二) 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电;通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级(电路或产品)对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识(三) 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电;通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。
水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1 、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，I C为同相分量，I R为异相分量，I C与总电流I的夹角为，其正切值为
2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时， 材料内部能量消耗程度的一个参数， 它也是衡 量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。 机械品质因数越大， 能量的损耗越小。产生能量损耗 的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数 Q m 的定义为: 谐振时振子储存的机械能 c Qm 谐振时振子每周所 损失的机械能 2 兀 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中 R 1为等效电阻 （Q ） , s 为串联谐振角频率（Hz ）, C 1为振子谐振时的等效电容 （F ），L 1为振子谐振时的等效电感。 Q m 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Q m 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波 测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的 Q m 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性， 即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。 其产生的电荷与施加 tan 1 CR 其中3为交变电场的角频率, R 为损耗电阻，C 为介质电容。 s R 1C 1 s L 1 图1交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时）
?仪器设备? 声波测井压电换能器的一致性问题 沈建国李山生辛鹏来 (天津大学药学院检测中心) (东营 胜利测井公司) 吕殿中孙春明 (濮阳 中原油田测井公司)(南阳 河南油田测井公司) 沈建国,李山生,辛鹏来,吕殿中,孙春明.声波测井压电换能器的一致性问题.石油仪器,2002,16(6):33～35 摘 要 针对实际生产中存在的声波测井仪器的一致性比较差,发射声波能量和接收灵敏度比较低等问题,用声波测井波动声学的原理讨论声波测井频率对声波时差和声幅测量结果的影响。对于裸眼井声波测井波形中的首波来讲,其速度随频率变化比较小,但是,幅度受井孔的固有频率影响,随频率变化比较大。这样,声波测井仪器的压电换能器频率的一致性是影响仪器性能、造成上述问题的主要原因。用导纳圆测量的方法给出了确定声波测井压电换能器频率一致性的具体技术。为了提高仪器的性能指标,提出了配对更换压电换能器的仪器检修方法。 结合井内固有频率选择相应的声波测井仪器,可以达到增加针对性,减少盲目性,有效地提高测井成功率的目的。 关键词 声波测井 换能器 频率 幅度 作者介绍 沈建国教授,1963年生,1983年毕业于华东石油学院测井专业,1994年获得石油大学硕士学位,2000年获中国科学院声学研究所声学博士学位,2002年清华大学物理学博士后,现在天津大学专门从事声学理论和声波测井技术研究。邮编:300072 声波测井仪器存在的问题 从生产实际中发现,声波测井仪器主要存在下列问题: 1.声波测井时差“跳”,并且出现在砂岩目的层,没有办法计算孔隙度。 2.套管井内的首波不是严格地按照套管波的速度传播,这时,声幅测井的幅度不再直观地反映I 界面的胶结状态。幅度测井值偏高或偏低,与水泥胶结的实际情况不一致。 3.在井比较深时,声幅测井曲线值偏高20%。或者井比较深时,接收波形的幅度减小,发射能量低,接收灵敏度降低。 4.同一只仪器在不同的深度,其声幅曲线的一致性比较差。 5.不同的仪器之间测量结果的可比性比较差。原因分析 声波测井仪器测量的声波是在井内液体中传播的,这些波与地层中传播的波通过井壁相互耦合[1]。对于传播最快的首波(对于裸眼井测井指纵波滑行波,对于套管井来讲指套管波)来讲,由于声波在井内多次反射,圆形的井孔具有一系列的固有频率,或者说,井孔具有明显的频率选择。当声波仪器发射换能器发射的声波频率与井孔的固有频率接近或相等时,首波的幅度比较大;相反,则幅度比较小,或者根本不能够传播我们需要的首波。即对于一定的地层和套管井,只有某些频率能够在井内传播。 图1是用波动声学计算的裸眼井内液体中传播的声波[1],其横坐标是频率f,纵坐标是波数k,图1中的三条直线分别代表地层的纵波速度v p、横波速度v s和井内液体的声速v f。其中,以地层纵波速度传播(最快)的波随频率离散变化,在井孔的固有频率附近存在(能够在井内传播),在其它频率不存在,不能够传播。 换能器的几何尺寸确定后,也有一系列的固有频率,用于发射声波时,只能够发射这些频率的声波。当换能器的固有频率与井孔的固有频率接近时,发射换能器发射的声波才能够在井内激发出我 ? 3 3 ? 第16卷 第6期 石 油 仪 器
超声波换能器的匹配设计 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数
比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初 级的 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励 6.5Ω
一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，VAm为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po 为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，
VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。则变压器初级的 Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损 Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3．要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方
压电陶瓷及其测量原理 近年来,压电陶瓷得研究发展迅速,取得一系列重大成果,应用范围不断扩大,已深入到国民经济与尖端技术得各个方面中,成为不可或缺得现代化工业材料之一。由于压电材料得各向异性,每一项性能参数在不同得方向所表现出得数值不同,这就使得压电陶瓷材料得性能参数比一般各向同性得介质材料多得多。同时,压电陶瓷得众多得性能参数也就是它广泛应用得重要基础。 (一)压电陶瓷得主要性能及参数 (1)压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心得晶体上施加压力、张力或切向力时,则发生与应力成比例得介质极化,同时在晶体两端将出现正负电荷,这一现象称为正压电效应;反之,在晶体上施加电场时,则将产生与电场强度成比例得变形或机械应力,这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体就是否出现压电效应由构成晶体得原子与离子得排列方式,即晶体得对称性所决定。在声波测井仪器中,发射探头利用得就是正压电效应,接收探头利用得就是逆压电效应。 （2）压电陶瓷得主要参数 1、介质损耗 介质损耗就是包括压电陶瓷在内得任何电介质得重要品质指标之一。在交变电场下,电介质所积蓄得电荷有两种分量:一种就是有功部分(同相),由电导过程所引起;另一种为无功部分(异相),由介质弛豫过程所引起。介质损耗就是异相分量与同相分量得比值,如图1 所示,为同相分量,为异相分量,与总电流I 得夹角为,其正切值为其中ω为交变电场得角频率,R 为损耗电阻,C 为介质电容。
图1 交流电路中电压电流矢量图(有损耗时) 2、机械品质因数 机械品质因数就是描述压电陶瓷在机械振动时,材料内部能量消耗程度得一个参数,它也就是衡量压电陶瓷材料性能得一个重要参数。机械品质因数越大,能量得损耗越小。产生能量损耗得原因在于材料得内部摩擦。机械品质因数得定义为: 机械品质因数可根据等效电路计算而得 式中为等效电阻(Ω), 为串联谐振角频率(Hz), 为振子谐振时得等效电容(F),为振子谐振时得等效电感。与其它参数之间得关系将在后续详细推导。 不同得压电器件对压电陶瓷材料得值得要求不同,在大多数得场合下(包括声波测井得压电陶瓷探头),压电陶瓷器件要求压电陶瓷得值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性,即在其外部施加应力时能产生额外得电荷。其产生得电荷与施加得应力成比例,对于压力与张力来说,其符号就是相反得,电位移D(单位面积得电荷)与应力得关系表达式为: 式中Q 为产生得电荷(C),A 为电极得面积(m2),d 为压电应变常数(C/N)。在逆压电效应中,施加电场 E 时将成比例地产生应变S,所产生得应变S 就是膨胀还就是收缩,取决于样品得极化方向。 S=dE 两式中得压电应变常数d 在数值上就是相同得,即 另一个常用得压电常数就是压电电压常数g,它表示应力与所产生得电场得关系,或应变与所引起得电位移得关系。常数g 与 d 之间有如下关系: 式中为介电系数。在声波测井仪器中,压电换能器希望具有较高得压电应变常数与压电电压常数,以便能发射较大能量得声波并且具有较高得接受灵敏度。 4、机电耦合系数 当用机械能加压或者充电得方法把能量加到压电材料上时,由于压电效应与逆压电效应,机械能(或电能)中得一部分要转换成电能(或机械能)。这种转换得强弱用机电耦合系数k 来表示,它就是一个量纲为一得量。机电耦合系数就是综合反映压电材料性能得参数,它表示压
压电材料的主要性能参数 （1） 介电常数ε 介电常数是反映材料的介电性质，或极化性质的，通常用ε来表示。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如，压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大，而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。 介电常数ε与元件的电容C ，电极面积A 和电极间距离t 之间的关系为 ε=C ·t/A 式中C ——电容器电容；A ——电容器极板面积；t ——电容器电极间距 当电容器极板距离和面积一定时，介电常数ε越大，电容C 也就越大，即电容器所存储电量就越多。由于所需的检测频率较低，所以ε应大一些。因为ε大，C 就相应大，电容器充放电时间长，频率就相应低。 (2)压电应变常数 压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小： 31(/)t d m V U = 式中 U ——施加在压电晶片两面的压电； △t ——晶片在厚度方向的变形。 压电应变常数33d 是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。其值大，发射性能好，发射灵敏度越高。 （3）压电电压常数33g 压电电压常数表示作用在压电晶体上单位应力所产生的压电梯度大小： 31(m/N)P U g V P =? 式中 P ——施加在压电晶片两面的应力； P U —— 晶片表面产生的电压梯度，即电压U 与晶片厚度t 之比，P U =U/t 。 压电电压常数33g 是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。其值大，接收性能好，接收灵敏度高。 （4）机械品质因数 机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。产生损耗的原因在于内摩擦。
m E E θ=储损 m θ值对分辨力有较大的影响。机械品质因数越大，能量的损耗越小，晶片持 续振动时间长，脉冲宽度大，分辨率低。 （5）频率常数 由驻波理论可知，压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是: 0 22L L C t f λ== 式中 t ——晶片厚度；L λ——晶片中纵波波长；L C ——晶片中纵波的波速； 0f ——晶片固有频率。 则： 02 L t C N tf == 这说明压电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。因此，同样的材料，制作高频探头时，晶片厚度较小；制作低频探头时，晶片厚度较大。 （6）机电耦合系数K 机电耦合系数K 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能之间的耦合效应。机电耦合系数可定义为 K =转换的能量输入的能力 探头晶片振动时，同时产生厚度方向和径向两个方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向t K 和和径向p K 。t K 大，检测灵敏度高；p K 大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨率降低，盲区增大。 （7）居里温度C T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用C T 表示。 探头对晶片的一般要求： （1） 机电耦合系数K 较大，以便获得较高的转换效率。
用ANSYS 软件分析压电换能器入门 A ：分析过程基本步骤 一：问题描述（草稿纸上完成） 1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料 3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型 1：根据对称性确定待建模型的维数 2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析 4：启动ANSYS 软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型 压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D 六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。 plane13：4个节点2D 四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D 四面体耦合场单元。无实常数。 Fluid30：8个节点3D 六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。 Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X ，Y ，Z 坐标值。 6：定义材料参数 对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料： 一般使用的压电方程：e 型压电方程，因此输入的常数为 ????????? ?????? ???? ?=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655 464544 36353433 2625242322 161514131211对称 ???????? ??????????=6362 61 535251434241333231 232221131211 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ????????? ?=S S S S 3322 11εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。在ANSYS 中为XX ，YY ，ZZ ，XY ，YZ ，XZ 。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。 7：建立关键点 8：把关键点连成线
AN104-2011 超声波流量换能器设计 1.引言 本文件旨在说明超声波流量换能器设计，主要内容包括组成、结构和封装及技术要求。本设计的超声波换能器应用于超声波热量表，超声波水表的流量测量应用。 2.组成 超声波换能器由压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、接线板、挡圈和金属外壳组成，如图2-1所示。 3.1外壳 换能器外壳结构尺寸如图3-1所示。整个外形为凸台圆柱体，它分为上下两个部分，上部分为开放的圆柱体，其外形制成外螺纹和卡口形状，用于安装时支撑和固定整个壳体。下部分为封闭圆柱体，其凸出面作为声波辐射面。壳体内部为两个不同直径的腔室，其中下腔室称为压电腔，用于安装压电片和填充吸声材料，而上腔室用于安装接线板和挡圈，称为接线腔。这两个腔室连通在一起并保持同轴同心。在制造换能器外壳时应注意以下几点： ?材料选取：采用无铅秘磷黄铜捧材车制加工，如C3604、C3771或HPB59-1等。以上标号材料的
声速大约为4270～4400米/秒。 ?加工精度：下腔室内外表面的光洁度应满足▼6以上要求，厚度1mmm，公差±0.05mm ?内腔室端部应无毛刺，且平整光滑。 图3-1 换能器外壳尺寸 3.2压电片 压电式超声波换能器是利用压电片的压电效应原理来工作的。当超声波发射振子（换能器）通以电脉冲信号时，由于振子的机械振动会产生超声波信号，因此能在固体和流体中传播，超声波频率取决于振 子的固有谐振频率。超声波换能器的性能好坏取决于压电晶片的技术性能和合理的结构设计。表3-1给出 超声波流量换能器的基本参数要求。 压电片材料的物理性质，尺寸与形状都与传感器特性密切相关。本设计选择ANN-P5F-1001压电片,其主要技术参数： ?压电材料：锆钛酸铅（PbTi03-PbZr03）
单波束（海底识别海底反射波强度，反射波振幅大小，振幅检测） 1.定义：一次发射只能获得1个水底水深数据的回声测量设备。 单波束：震源和接收（测深仪换能器）、记录仪（包括数字记录和模拟记录）2.测量时水深（H）=h+h1（吃水）——换能器入水深度 3.吃水 （1）静吃水 （2）动吃水：真正对测深产生影响的吃水。其值随船相对水体运动速度的不同而变化4.校准后实测水深数据+潮位改正 （1）吃水校准：相当于静校正的炮点深度；（2）波浪校准：相当于静校正的地形（3）声速校准：H=H-h=(b/a-1)h+(1-b/a)c；（4）坡度修正 （1）潮位观测+实时潮位修正 5.水深测量的工作程序 （1）测深仪器的安装：要求是使动吃水与静吃水的数值基本吻合。 ①观察不同船速下测量船不同位置吃水变化；
②在变化最小处安装测声仪换能器。 （2）测深实施原则及注意事项 1）测线布设的依据： ①垂直于水深等深线：垂直岸线，常理上，距海岸越远水深越大 ②垂直于构造线走向：板块构造形成的地质体基本平行海岸分布 垂直控制地形地貌地质体走向布设测线（可控制地形的连续变化） ③设计多条相互平行的、等间距测线时，测线间隔是图上1cm的实际距离 ④测线的名字应包括任务代号—测区—航次号—测线组名—测线名 ⑤检查测线：检查测线的方向垂直于主测线方向，检查测线的总长度是主测线总长度的5~10%。 ⑥测深精度：主测线与检测线间的测深之差。 在同一套工作系统下，30m以浅测深误差小于0.3m；30m以深测深误差小于水深的1%。 在另一套工作系统下（不同的人员、设备），测量误差可以为其两倍。 统计所有的交叉点水深差值，超限的点数小于15%，测绘合格 ⑦偏航距：最大偏航距离不能大于图上的2mm。 当比例尺允许的偏航距大于20m时，规定为20m以内！ 2）位置确定：经纬度或平面坐标 3）验潮站布设的原则： 近岸水深测量（距岸20km以内），验潮站布设的密度应能控制全测区的潮汐变化。相邻验潮站之间的距离应满足1、最大潮高差不大于1m；2、最大潮时差不大于2h；3、潮汐性质基本相同。对于潮高差和潮时差变化较大的海区，除布设长期站或短期站外，也可在湾顶、河口外、水道口和无潮点处增设临时验潮站。 距岸20km以外采用预报潮位。
水声换能器基础知识 地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。 1. 水声换能器的应用 目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用： （1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。 （2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。 （3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。 2. 水声换能器的分类 换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。 水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类： （1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。 （2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。 （3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。 （4）弯曲伸张换能器：弯曲伸张换能器一般是用两种振动模式组合起来的复合换能器。例如用纵向伸缩振动棒与不同形式的弯曲壳体组合成多种形式的弯曲伸张换能器，也可以用圆形平面径向振动有源元件与碗形弯曲壳体组合成II型弯曲伸张换能器。 （5）球形换能器：利用空心压电陶瓷球壳的呼吸振动做成的球形换能器具有空间对称性好的优点。普遍用作点源水听器。 （6）剪切振动换能器：振动方向和极化方向相平行而驱动电场的方向和振动方向相垂直的剪切振动可以满足某种特殊使用要求。如去除牙结石的换能器就是这种形式。 3. 水声换能器的主要参数 水声换能器的主要性能指标有；水中工作频率、工作频率范围、频带宽度、发射声源级（声功率）及发射响应、指向性、接收灵敏度及接收灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。其中：
电子工程师必备基础知识（一） 运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。 运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。 光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。 干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。 电子工程师必备基础知识（二） 电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电；通高频交流电，阻碍低频交流电。 电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。 能够根据直流电源输出电流的大小和后级（电路或产品）对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应 1000UF-4700UF是比较合适的。 电子工程师必备基础知识（三） 电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电；通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。 电感是电容的死对头。另外，电感还有这样一个特点：电流和磁场必需同时存在。电流要消失，磁场会消失；磁场要消失，电流会消失；磁场南北极变化，电流正负极也会变化。 电感内部的电流和磁场一直在“打内战”，电流想变化，磁场偏不让变化；磁场想变化，电流偏不让变化。但，由于外界原因，电流和磁场都可能一定要发生变化。给电感线圈加上电压，电流想从零变大，可是磁场会反对，因此电流只好慢慢的变大；给电感去掉电压，电流想从大变成零，可是磁场又要反对，可是电流回路都没啦，电流已经被强迫为零，磁场就会发怒，立即在电感两端产生很高的电压，企图产生电流并维持电流不变。这个电压很高很高，甚至会损坏电子元件，这就是线圈的自感现象。
第二章压电陶瓷测试 2.4 NBT基陶瓷的极化与压电性能测试 2.4.1 NBT基陶瓷的极化 1. 试样的制备 为对压电陶瓷进行极化和性能测试，烧结后的陶瓷需要进行烧银处理。烧银就是在陶瓷的表面上涂覆一层具有高导电率，结合牢固的银薄膜作为电极。电极的作用有两点：（1）为极化创造条件，因为陶瓷本身为强绝缘体，而极化时要施加高压电场，若无电极，则极化不充分；（2）起到传递电荷的作用，若无电极则在性能测试时不能在陶瓷表面积聚电荷，显示不出压电效应。 首先将烧结后的圆片状样品磨平、抛光，使两个平面保持干净平整。然后在样品的表面涂覆高温银浆（武汉优乐光电科技有限公司生产，型号：SA-8021），并在一定温度干燥。将表面涂覆高温银浆的样品放入马弗炉进行处理，慢速升温到320~350℃，保温15min 以排除银浆中的有机物，快速升温到820℃并保温15min后随炉冷却，最后将涂覆的银电极表面抛光。 2. NBT基压电材料的极化 利用压电材料正负电荷中心不重合，对烧成后的压电陶瓷在一定温度、一定直流电场作用下保持一定的时间，随着晶粒中的电畴沿着电场的择优取向定向排列，使压电陶瓷在沿电场方向显示一定的净极化强度，这一过程称为极化[70]。极化是多晶铁电、压电陶瓷材料制造工艺中的重要工序，压电陶瓷在烧结后是各向同性的多晶体，电畴在陶瓷体中的排
列是杂乱无章的，对陶瓷整体来说不显示压电性。经过极化处理后，陶瓷转变为各向异性的多晶体，即宏观上具有了极性，也就显示了压电性。 对于不同类型的压电陶瓷，进行合适的极化处理才能充分发挥它们最佳的压电特征。决定极化条件的三个因素为极化电压、极化温度和极化时间。为了确定NBT基压电材料的最佳极化条件，本文采用硅油浴高压极化装置（华仪电子股份有限公司生产，型号：7462）详细研究了样品的极化行为，并确定了最佳的极化条件。 2.4.2 NBT基陶瓷的压电性能测试 1．压电振子及其等效电路 图2.11 压电振子的等效电路 利用压电材料的压电效应，可以将其按一定取向和形状制成有电极的压电器件。输入电讯号时，若讯号频率与器件的机械谐振频率f r一致，就会使器件由于逆压电效应而产生机械谐振，器件的机械谐振又可以由于正压电效应而输出电讯号，这种器件称为压电振子，广泛用于制作滤波器、谐振换能器件和标准频率振子。在其谐振频率附近的电特征可用图2.11来表示，它由电容C1，电感L1和电阻R1的串连支路与电容C0并联而成，在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。 2．压电材料的性能测试 压电参数的测量以电测法为主。电测法可分为动态法、静态法和准静态法。动态法是