压电陶瓷换能器的研究与应用

　　1 引言

　　超声技术是一种广泛使用的无损检测技术，它以声学理论为基础，不断应用于电子、通信、医学、生物及物理领域。在现代检测技术中，利用超声技术研制的换能器以其灵敏度高、精度高等优点正在越来越受到人们的关注。

　　目前，检测过程中常用的换能器有: 压电式换能器、磁致伸缩换能器、电磁声换能器和激光换能器。最常用的是压电换能器，它的核心部件就是压电晶片。压电晶片可以在压力的作用下发生形变，从而导致晶片本身发生极化，在晶片表面出现正负束缚电荷，此效应为压电效应。并且，压电效应具有可逆性，即对晶片施加电压后会发生形变。在检测过程中，利用超声探头的逆压电效应可以产生超声波，利用压电效应达到接收超声波的目的[1]。

　　压电陶瓷超声换能器很早就进入了人们的研究视野，它制作方便，可操控强，灵敏度高，机电耦合性好。目前，基于压电陶瓷开发的换能器包括功率超声换能器和检测超声换能器。

　　2 压电效应及换能器研究

　　2.1 压电效应

　　压电陶瓷是一种人工焙烧制造的可应用于多领域的多晶材料。通过外加电场和外部施加压力的作用，使材料的外部弹性形变和内部电级化发生相互转换，称为电致伸缩效应。烧结而成的铁电体通过电场的极化处理，让杂乱的内部极化现象变得规律有序，产生压电特性。钛酸铅(PbTiO3)的结构呈对称结构分布。在温度高于居里温度(the Curie temperature，即铁电体从铁电结构转变为顺变结构时的临界温度) 时，钛酸铅晶体处于一种对称结构，即正方体顺电结构，钛离子此时为于结构的正中心位置，整个晶体此时是没有任何极性的; 当温度低于居里温度时，晶体结构发生变化，处于长方体状态，不再处于对称状态，称为铁电结构。此时，如果有外加电场的作用，晶体就会产生极化现象[2]。如图1所示。

　　2.2 压电材料的选择及参数测量

　　2.2.1 压电材料的选择

　　压电换能器材料的主要性能参数有:

　　(1) 压电应变常数

　　表示当压电晶体受到外界的单位电压时，所产生的应变大小。

　　(2) 压电电压常数

　　表示当压电晶体上受到外界单位应力时，所产生的电压梯度大小。这两个参数是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数，参数越大，发射性能越好，发射灵敏度越高。

　　(3) 频率常数

　　压电晶片在高频电脉冲激励下产生共振的条件是:

　　其中t为晶片厚度，λL为晶片中纵波波长，cL为晶片中纵波波速，f0为晶片固有谐振频率。由上式知: