超聲波換能器又稱為超聲波探頭,它是實現電能和聲能相互轉換的一種器件。用于檢測的超聲波換能器有多種,如壓電型、磁致伸縮型、電磁型、振板型、彈性表面波型等等。檢測技術中,主要采用的壓電陶瓷材料來制作超聲波換能器,它是一種既可以把電能轉化為聲能、又可以把聲能轉化為電能的裝置,其工作機理是依據壓電材料的正逆壓電效應,利用逆壓電效應產生超聲波,即在壓電材料上加上某種特定額率的交變正弦信號,材料就會產生隨所加信號頻率變化的機械形變,繼而在周圍介質中產生疏密相間的機械波,如果其振動頻率在超聲范圍,這種機械波就是超聲波。接收時,利用正壓電效應把來自探測物的聲信號變成電信號輸出。本論文中采用了兩個收發(fā)合置的超聲波換能器。

超聲波換能器的結構：
  超聲流量測量中的超聲波換能器根據其結構的不同,可以分為直探頭、斜探頭、表面波探頭幾種。在本課題的設計中,我們選用斜探頭作為超聲波換能器。超聲波流量檢測中較為常用的換能器是壓電式斜探頭換能器,它主要由壓電晶片、楔塊、接頭等組成,是超聲波流量計的重要組成部分。
  超聲波探頭中的換能器常用壓電晶片來制作,壓電晶片的振動頻率就是探頭的工作頻率,主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度。為得到較高的頻率,要求晶片在共振狀態(tài)下工作,此時晶片厚度為波長。壓電晶片本身較脆,為了保護其與工件接觸時不損壞,常在晶片的前面粘附一層保護膜。在斜探頭的晶片前面有斜楔,晶片發(fā)出的縱波通過所設定的一不同傾角的斜楔射向試件表面,經波型轉換后可以在試件內部形成橫波。
  為提高探頭發(fā)射超聲波的頻率,常使晶片在共振狀態(tài)下使用,但是這樣振動不容易停止,難以形成窄脈沖。因此常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動阻尼,并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波。對于斜探頭,晶片前面已經與楔塊的斜面固定,背面一般不加阻尼塊。但是斜楔內的多次反射波會造成一系列噪聲,所以在斜楔的前面澆有阻尼物質,用以吸收噪聲。

超聲波換能器入射角度的選擇：
  在有兩個折射面的變換器中,超聲波型的轉換不同于有一個折射面變換器中的波型轉換。如圖,無論是聲導由固體材料或是液體層構成時,在個折射面處,以“為入射角的超聲縱波將在管壁產生縱波和橫波兩種波型,而在管壁和流體分界面處,兩種波型有轉換成兩束縱波在流體中傳播。當這兩束縱波到達對面管壁處,又轉換成四束縱波和橫波的兩種波型在管壁中傳播,在接收換能器聲導內則將產生六束其中有兩束波重合超聲波束。像這種情況對接收換能器的接收信號的選擇是不利的。因此,可以適當增大入射角并配合適當的聲導材料,使入射波在管壁處所產生的縱波形成全反射。這樣,除入射聲導以外,其余傳播媒質中的波

圖變換器中超聲波型的轉換
  束數目都將減半,以減少接收聲導中的聲混響。但入射角亦不能過大,否則由于管壁一般是金屬鋼材中的橫波速度也大于聲導一般是有機玻璃中的縱波速度而使橫波亦形成全反射。通常選在大于臨界角縱波而小于第二臨界角橫波。對于上述兩個聲速值,第二臨界角。,如金屬管壁縱波聲速為,則臨界角一,考慮結構安裝上的方便,一般選在一'`川`洲。本設計中采用的是由公司生產的型超聲波換能器,它的入射角選取。

超聲波換能器工作頻率的選擇：
  我們可把任一只超聲換能器系統(tǒng)看作一個電聲整體,等效為一個所謂電聲四端網絡。即把電端的物理量與機端的物理量通過機電禍合關系統(tǒng)一起來,構成統(tǒng)一的等效電路網絡。并利用電路網絡理論知識,分析電聲能量轉換過程和傳輸過程,求解出我們感興趣的超聲換能器指標。利用這種分析方法可以得出換能器的動態(tài)導納圖。本設計中采用的超聲波換能器為斜探頭壓電式換能器,經實測得到換能器的導納圖如圖。由導納圖

圖超聲波換能器導納圖
  可以看出,順流換能器的諧振頻率為為,逆流換能器的諧振頻率為咬,兩個換能器的諧振頻率相差不大。由測量的結果,在本設計中超聲信號的中心頻率工作頻率選擇在,這個頻率既與換能器的諧振頻率比較接近,也可以由計數器電路方便的分頻得到。
  本章小結在本章中就相位差法超聲波流量計的硬件實現進行了詳細的討論,給出了各個部分的工程實現方法。主要就電路系統(tǒng)和換能器進行了討論,包括計數電路和接收發(fā)射電路的關鍵技術的實現,換能器的分析和參數的選擇。論文中給出了部分電路的原理框圖或電路原理圖和換能器的動態(tài)導納圖。