超聲波液位計液態介質測量高精度的探討 十三
2．2超聲波換能器
應用超聲波進行測量，首先要解決的問題是如何發射和接收超聲波，這就要用到超聲波換能器。超聲波換能器是整個電路中最關鍵的器件，又稱為超聲波探頭。它的作用是完成電能與聲能的相互轉換。發射換能器將其他形式的能量轉換成超聲能量，接收換能器將超聲能量轉換成其他易于檢測的能量。
超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和發射是基于壓電晶片的壓電效應和逆壓電效應工作的。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影。所以壓電材料受壓力作用形變時，兩端面會出現異號電荷；反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移產生機械壓力或拉力，導致變形。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動(超聲波)和交流電的互相轉換。其工作原理是當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動，即可發射超聲波脈沖，此即逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受壓迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，此為正壓電效應。前者是超聲波的發射，后者為超聲波的接收。壓電晶片的振動頻率即探頭的工作頻率，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，要使晶片在諧振狀態下工作，此時晶片厚度為1／2波長。
常用的壓電材料(piezoelectric material)主要有鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BaTiO。)、鈮酸鉛(PbNbO。)、鈮酸鋰(LiNbO。)、硫酸鋰(LiSO。)、石英(SiO：)等，其中壓電薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來制成40KHz-300KHz的超聲換能器。
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