AN005_超声波换能器设计解析
超声换能器驱动电路的设计
超声换能器驱动电路的设计
超声换能器驱动电路的设计一般包括一些基本电路，如同步电路、余弦电路、宽度调节电路、激励电路等。
1、同步电路：该电路包括一个发生器（定时器）和一些缓冲电路，借助定时器可以产生恒定的正弦波、方波、三角波等脉冲波形，用于驱动超声换能器发出振动信号。
2、余弦电路：该电路设计的目的是将同步电路产生的脉冲波形转换成恒定的余弦波，从而使超声换能器发出的超声振动的全部单元具有相同的形状和幅度，包括减小共振效应。
3、宽度调节电路：该电路是用来控制余弦信号，从而控制超声换能器发出的超声振动的频率。
4、激励电路：该电路的作用是根据所需的功率以及安全供电激发超声换能器，从而确保其正常工作。
超声波换能器结构及应用
超声波换能器结构及应用超声波换能器（ultrasound transducer）是一种将电能转换成超声波能量的装置。
它通过使用压电效应将输入的电能转化为机械振动，从而产生超声波信号。
超声波换能器主要由压电晶体、电极和保护层组成。
压电晶体是超声波换能器的核心部件。
它是一种具有压电效应的晶体材料，常见的有石英、铅锆钛酸钡（PZT）等。
压电效应指的是在应力作用下，晶体产生电荷分离现象。
当施加电压时，晶体会变形，从而产生机械振动。
超声波换能器中的压电晶体一般是薄片状的，两面分别贴上电极。
电极与电源相连，电流流过晶体时，会在晶体内部产生内部电场，从而使晶体发生机械振动。
晶体振动时会产生一系列超声波脉冲信号，并由外部保护层传递出去。
这种结构的超声波换能器具有以下特点：1. 简单可靠：超声波换能器由少量的部件组成，结构简单，操作可靠，可以在不同的工作环境下稳定工作。
2. 高频率：超声波换能器可以产生高频率（通常在几十kHz至几百MHz之间）的超声波信号，这对于一些需要高分辨率的应用非常重要。
3. 高灵敏度：由于采用了压电晶体材料，使得超声波换能器具有高灵敏度，可以检测到微小的信号变化，适用于一些需要高灵敏度的应用。
超声波换能器广泛应用于医学、工业和科学研究领域：1. 医学领域：超声波换能器在医学超声成像中被广泛应用。
它可以通过发射和接收超声波信号来生成人体内部器官和组织的图像。
同时，超声波换能器也可以用于治疗，例如超声波刀等。
2. 工业领域：超声波换能器用于各种工业领域的无损检测。
例如，它可以用于检测材料中的缺陷、测量液体的流量等。
3. 科学研究领域：超声波换能器被广泛应用于物理学、地质学、材料科学等研究领域。
例如，它可以用于测量材料的弹性模量、研究地下构造、实验室中的声波传播等。
总之，超声波换能器是一种重要的装置，能够将电能转换成超声波信号，并广泛应用于医学、工业和科学研究领域。
随着技术的不断发展，超声波换能器的性能将得到进一步提升，为各个领域的应用提供更好的支持。
一种高频超声波换能器驱动电路的设计
一种高频超声波换能器驱动电路的设计
高频超声波换能器驱动电路的设计主要包括以下几个方面：
1. 选择合适的驱动器件：高频超声波换能器通常采用压电陶瓷材料制成，因此需要选择适合驱动压电陶瓷的驱动器件，常见的有MOSFET、IGBT等。
2. 驱动信号发生电路：设计一个能够产生高频驱动信号的电路，通常采用谐振电路或者多谐振电路来产生高频信号。
谐振电路可以根据超声波换能器的谐振频率进行设计，多谐振电路可以产生多个频率的信号，以适应不同的工作模式。
3. 驱动信号放大电路：由于超声波换能器的驱动信号幅度较小，需要通过放大电路将信号放大到足够的幅度。
放大电路可以采用功率放大器或者运放放大器等。
4. 驱动信号保护电路：由于高频超声波换能器在工作过程中会产生较高的功率，需要设计相应的保护电路来保护驱动器件和超声波换能器，如过电流保护、过温保护等。
5. 驱动电源设计：为了提供稳定的驱动电流和电压，需要设计一个合适的电源电路，可以采用直流电源或者交流电源，根据具体的需求选择。
6. 控制电路设计：为了实现对超声波换能器的控制，可以设计一个
控制电路，可以根据需要调节驱动信号的频率、幅度等参数。
高频超声波换能器驱动电路的设计需要考虑到驱动器件的选择、驱动信号的发生、放大和保护，以及电源和控制等方面，需要根据具体的需求进行设计。
超声波聚能换能器-概述说明以及解释
超声波聚能换能器-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：超声波聚能换能器作为一种新型的能量转换器，在现代科技领域具有广泛的应用。
通过将电能转化为超声波能量，实现了高效能量传输和聚焦功效。
本文将详细介绍超声波聚能换能器的原理、应用领域、优势和特点，以期为读者提供全面的了解和参考。
超声波聚能换能器的发展前景十分广阔，将在未来的科技领域有着巨大的应用潜力。
文章结构部分的内容应该包括对整篇文章的章节安排和内容概述，以便读者能够清晰地了解全文结构和主要内容。
在本文中，文章结构部分的内容可以按照以下方式编写:文章结构部分:本文分为引言、正文和结论三个部分。
1. 引言部分:1.1 概述: 回顾超声波聚能换能器的基本概念和发展现状。
1.2 文章结构: 简要介绍文章的结构和各部分内容安排，引导读者对整篇文章有一个整体的认识。
1.3 目的: 阐明本文撰写的目的和意义。
2. 正文部分:2.1 超声波聚能换能器原理: 详细介绍超声波聚能换能器的工作原理和技术特点。
2.2 应用领域: 探讨超声波聚能换能器在不同领域的应用情况，并分析其作用和效果。
2.3 优势和特点: 分析超声波聚能换能器相对于传统设备的优势和特点，以及可能存在的局限性。
3. 结论部分:3.1 总结: 总结本文的主要内容和结论，概括超声波聚能换能器的特点和应用前景。
3.2 发展前景: 展望超声波聚能换能器未来的发展方向和趋势。
3.3 结语: 结束全文，表达作者对超声波聚能换能器的看法和期待。
通过上述章节安排，读者可以清晰地了解本文的内容结构和主要议题，帮助他们更好地阅读和理解全文内容。
1.3 目的本文旨在深入探讨超声波聚能换能器的原理、应用领域、优势和特点，并总结其在工程和医疗领域的重要性和发展前景。
通过对超声波聚能换能器的全面分析，旨在为读者提供更深入的了解，促进该技术在不同领域的应用和推广，推动相关领域的科研和技术进步。
希望本文能够为相关研究人员和工程师提供一定的参考和指导，促进超声波聚能换能器技术的创新和发展。
超声波发声器和换能器简介PPT课件
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发生器与换能器的匹配
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。
超声波发生器
超声波发生器实质上是一个功 率发生器，它产生一定频率的正弦 信号，通过电缆联结线传导给换能 器，换能器再将超声波发生器提供 的电信号转换为机械振动。
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• 超声波发生器是一种用于产生并向超声换 能器提供超声能量使之工作于谐振频率的 装置，根据其激励方式可分为两种：一种 是他激式，一种是自激式。
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电路设计是设计中重要的一部分，发生 器逆变电源部分的电路以及主电路开关器 件的选择不同，需要有不同的逆变器主电 路、驱动电路、采样电路、启动电路、保 护电路的具体设计方案应该具有如下功能：
1 良好的匹配电路，能保证发生器提供给换 能器足够的电功率，并使电功率最有效率 的转换为声能。
2 频率自适应功能。因为换能器自身的机械 谐振频率对负载改变、发热以及其它外界 影响较为敏感，它们的变化会引起换能器 谐振频率变化，导致系统的振动失谐、振 幅降低。
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3 功率自适应功能。在工作过程中，隶望输 出功率能自动随着负载的变化而变化，比 较理想的状态是发生器的输出电压一定， 输出功率在空载时最小，当负载增加时输 出功率也随之增加，这样有利于超声设备 的工作，这可以通过分析超声换能器的负 载特性，选择合适的谐振频率点来实现； 另外也可以采用斩波电路，通过改变开关 管的占空比来控制输入到逆变电路的电压， 使占空比随着负载变大而变大，输出功率 便能保持恒定，当发生故障时还可将开关 管关闭。
超声波换能器的设计与建模26
也就是说，用这种方法也许可以建造出一个完整的圆柱形夹心式换能器模型。
对比实验结果，得到的数据要比传统的一维分析方法要好，但是也只是在金属端较长的换能器计算中，而金属端较短的换能器计算中误差就比较大。
除此之外，这种方法应用仅仅局限于确定换能器的工作谐振频率,而换能器其他的相关参数和性能参数则不能确定。
对比在后续章节中论述的三维模型，这也使得这种方法在运用中有其局限性。
在分析夹心式压电超声换能器时，同样运用了不同的数值计算法来确定它们的频率特性。
功率超声系统的数值模型是基于有限元法（FEM)或边界元法(BEM)建立的。
基于弹性力学、压电本构方程和线性声学建立的数值化线性模型经常被应用到分析功率超声设备中。
这些模型在激励水平较低时非常有效，因此，它们在建模时也带有的特性具有一定的精确度，如电阻、谐振频率、耦合系数和发射定向的特性。
在激励功率中的数值建模包括多种非线性转换方程和不同介质中的振动机制，这些都使得对换能器的分析变得更加复杂。
这些设计方法复杂而又需要大量的演算时间。
在后续章节中（第3.2.3章），将要用BEM法来分析中心有孔的金属圆柱体的对称性振动，最重要的是，这些金属圆柱体都是中心有孔的。
与现存的实心圆柱体和饼状体的建模方法相比，夹心式超声换能器组件的长度函数也是第一次被考虑到它们的外径和内径的关系式中。
在忽略压电效应的影响和不考虑陶瓷的各向异性的情况下，压电陶瓷环获得的效应更好，同样的方法被应用到金属端和激励压电陶瓷环的运用中。
运用这种工艺是为了证明一种猜想，那就是在换能器的组件中，在振动的径向和厚度方向上的振动的相互耦合会改变超声波的传播速度。
由于一维理论是用来描述圆柱体一维结构的振动情况，最初设想的超声波传播速度就是一种频率函数。
一维解法中，必要地修正速度，这种方法的解释说明是建立在之前提到过的对称性振动的有限元法、其次量、各向同性，以及中心有孔的柱状体（环状）的延展性这些理论基础之上。
一种高频超声波换能器驱动电路的设计 -回复
一种高频超声波换能器驱动电路的设计-回复高频超声波换能器驱动电路是一种常用于医学诊断、工业应用和科学研究的装置。
它能将电能转化成超声波能量，实现超声波的产生和控制。
本文将详细介绍一种设计高频超声波换能器驱动电路的步骤和过程，以供读者参考和学习。
第一步：了解超声波换能器驱动电路的基本原理在设计之前，我们需要先了解超声波换能器驱动电路的基本原理。
换能器是将电能转化为机械振动或声能的设备。
而超声波换能器则是将电能转化为超声波能量的换能器。
超声波是频率高于人耳可听到范围（20kHz）的声波，具有穿透力强、分辨率高等特点，因此在医疗、工业和科学领域得到广泛应用。
第二步：确定工作频率和输出功率需求在设计高频超声波换能器驱动电路之前，需要确定工作频率和输出功率的需求。
超声波换能器的工作频率通常在多兆赫范围内，不同应用场景对频率和输出功率的需求有所差异。
例如，在医疗领域，常用的工作频率为1-20MHz，而输出功率则取决于具体应用要求。
第三步：选择合适的换能器和驱动电路元件根据工作频率和输出功率的需求，选择合适的超声波换能器和驱动电路元件。
换能器的选择要考虑其频率响应特性、灵敏度等因素，而驱动电路元件的选择要考虑其工作可靠性、效率等因素。
常用的超声波换能器包括压电换能器、磁致伸缩换能器等。
第四步：设计驱动电路的基本结构设计驱动电路的基本结构包括发生器、放大器和保护电路。
发生器用于产生高频信号，放大器将发生器输出的信号放大到足够的电压和电流水平以驱动换能器，而保护电路则用于保护换能器和电路免受过电压和过电流等因素的损害。
第五步：细化驱动电路的设计细节在设计驱动电路的过程中，需要注意以下几个关键问题：1. 发生器的选型和设计，包括选用合适的振荡电路和频率调节方式；2. 放大器的选型和设计，包括选用合适的功率放大器和放大方式；3. 保护电路的设计，包括过电压保护、过电流保护和温度保护等；4. 电路布线和连接方式的设计，包括尽可能减小导线的阻抗、降低干扰和提高信号传输质量。
超声波换能器的设计与建模23
谐振频率值取决于金属端和陶瓷环的直径和机械（声学）性能。
特别要强调的是功率换能器的品质取决于许多因素，从最重要的单一压电陶瓷片和金属端的质量，到用作接触的金属薄片、接触表面的加工处理质量，以及张力大小。
1.3超声换能器建模简介六十年代末期，罗森伯格出版关于功率超声换能器和其相关领域的书籍之后【51】、【52】，又涌现出无数关于功率超声技术不同方面的科研论文。
夹心式换能器参数最早的优化始于七十年代，是基于电机械滤波器理论完成的。
金属端纵振动谐振频率拥有非常复杂的几何结构，其最终是利用振动的平台来完成的，然后用微调元件来进行调节,接下来最重要的便是与换能器的长度有关，最终确立的最佳方案就是半波式换能器是最有效的。
与此同时便是尝试解决数学关系式的问题，通过数学关系式可以计算出金属端的长度。
但是，由于夹心式换能器的机电系统的复杂性、单一压电陶瓷片的运行和振荡的模式，以及三维计算繁琐性，所以这种计算其实是不对的。
随着压电陶瓷片的工艺和品质的生产技术推进，从而生产出的换能器其陶瓷片性能更优。
另一方面，按照机械耦合优化的顺序进行机械加工步骤已经被开发出来，这也提高了换能器本身的工作效率。
超声换能器的发展对这个领域来说有着极其重要的科学价值，推动了用以生产换能器零部件的材质、电子和机械完善改进,有利于功率超声往更深层次的方向发展，在这些领域还有相当多的项目已经被开发出来。
正是因为这些技术成就，今天才有了数不清的设计方案，可以从中选择最优化的超声换能器形式。
这些方案从刚才提到的最初的数学公式的应用和利用振动平台的试错法和渐进法调整（调试）的换能器开始，直到今天，尝试使用功率计算机系统是为了展现超声换能器应用不同的计算方案（模型分析、矩阵传递法、有限元法等）。
夹心式换能器的建模是以压电陶瓷片和压电陶瓷环模型的发展为条件的，与此同时，还有换能器模型的金属元件相同或相似的模型的发展。
下一章将要展现现存的功率超声换能器建模中最重要的一些方法，以及一些新的方法，包括最典型的基于压电陶瓷环的矩阵模型——一个很容易获得的压电陶瓷片模型，以及环状、饼状、或柱状体的换能器金属元件模型。
超声波换能器特性分析及其电源设计
硕士学位论文题目:超声波换能器特性分析及其电源设计研究生陈张平专业控制理论与控制工程指导教师王建中教授邹洪波讲师完成日期 2013年1月杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。
本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。
学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。
（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文超声波换能器特性分析及其电源设计研究生：陈张平指导教师：王建中教授邹洪波讲师2013年1月Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi Universityfor the Degree of MasterAnalysis on the Features of the Ultrasonic Transducer and Design for the Power SupplyCandidate: Zhangping ChenSupervisor: Prof. Jianzhong Wang,Lecturer Hongbo ZhouJanuary，2013摘要超声波设备主要由超声波换能器、超声波发生电源（简称超声波电源，本文中介绍的超声波电源为数控式超声波电源）组成。
超声换能器设计方案与动态特性仿真
超声换能器的设计与动态特性仿真-设计论文超声换能器的设计与动态特性仿真超声换能器的设计与动态特性仿真Design and Dynamic Characteristics Simulation of Ultrasonic Transducers卢正达① LU Zheng-da；黄敏② HUANG Min（①同济大学，上海 200092；②纳恩汽车，上海 201612）（①Tongji University，Shanghai 200092，China；②Naen A uto，Shanghai 201612，China）摘要：微电子封装已成为当今微电子制造中影响生产效率和器件性能的关键技术。
超声键合是最为重要的芯片封装方法与技术，目前企业生产的90%以上芯片是采用超声键合法进行封装。
超声波换能器是在微电子制造超声键合工艺中的一个重要部件，超声换能器的设计与动态特性分析是非常重要的。
为了得到最大的振动幅值,变幅杆固有频率应和超声波发生器的工作频率相同。
通过本文对超声换能器的研究、分析与设计，对于获得理想的超声波换能器具有很强的指导意义。
Abstract: Microelectronic packaging is the key technology which affects the efficiency and performance of the device in the manufacture of the microelectronic.Thermosonic wire bonding is the most important method and technology of the chip packaging.90 percents of chips are bonded with thermosonic bonding.The ultrasonic transducer plays an important role in ultrasonic wire bonding techniques.So it is necessaryto realize the design and dynamic characteristics of the ultrasonic transducer.Its intrinsic frequency should be equal to working frequency for the obtainment of maximum amplitude.All above research contexts,methods and conclusions will be helpful to understand, analyze and design the ideal ultrasonic transducer.关键词：超声波换能器；有限元分析；模态分析Key words: ultrasonic transducer；finite element analysis；modal analysis中图分类号：TB552 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0186-041绪论超声键合技术以其简单的制作工艺、高效率的运行水准和无铅绿色的优点，在近几年的发展中逐渐成为集成电路第一级封装的主流技术。
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1 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. 元件说明 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
压电片 吸声材料 导电柱 高温导电胶
接线板
挡圈
图2-1 超声波流量换能器组成
信号电缆
辐射面 外螺纹 金属外壳 2
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。
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。
表3-1 压电片的基本参数 参数 描述 压电类型 锆钛酸铅（PbTi03-PbZr03），尺寸：ф10×1mm 谐振频率（FS） 2MHz±8% 谐振阻抗（FR） 1Ω 机电耦和系数（KP） ≥0.65 静电容（C0） 1350pF±15% 耦合因子（Kt） 0.44 压电电荷常数（d33） 520 × 10-12 C / N 居里温度 ≥260℃
导电胶材料特性 DB5015耐高温银粉导电胶 吸声材料 环氧树脂与钨粉按比例1:4混合 壳体材料 62H黄铜
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）
图3-1 换能器外壳尺寸 3
• 厚度频率：2.0MHz ± 5％ • 静电容：1350pf ± 12.5％ • 耦合因子（Kt）：0.44 • 耦合系数（Kp）：0.64 • 压电电荷常数（d33的）：520 × 10-12 C / N • 最高工作温度：260℃ 3.3高温导电胶 高温导电胶具有以下几个作用： • 用于两种不同界面的声耦合剂（压电片与铜材料）； • 通过粘贴方式固定压电片； • 通过导电胶粘合实现压电片与铜外壳的电连接，并将外壳作为大面积接地极，有效提高电磁兼容性能。 高温导电胶选用DB5015，其主要特性： • 由环氧树脂、银粉和固化剂配制而成的无溶剂型导电胶，导电性能十分优良 • 适用于金属与金属、金属与非金属之间有导电要求的粘接，特别适用于锡焊不方便的场合。例如铜、铁、铝、金、银等多种金属与压电晶片、导电陶瓷等元件的连接 • 体积电阻率为 10-3～10-4Ω/cm
• 工作温度范围：-40～120℃ • 包装规格：DB5015为100g/套，双组份，无机硅铝酸盐材料，导电材料为银粉，可耐高温达1200℃， 也可选用DB5016高强度银粉导电胶：包装规格：100g/套，双组份 • 固化时间：常温12小时，80℃时2小时（参见说明书）。 3.4吸声材料 在压电振子的背面填充吸声材料，用于吸收和抑制压电振子的反向振动波，以获得纯净的单脉冲发射
波形。吸收材料是采用双组份的S2116高弹性电子灌封胶，灌封时具有良好的流动性，固化后具有良好的吸声性能，其固化性能： • 体积电阻系数，Ω/cm：≥1014
• 介电常数：2.7～3.3 • 击穿电压KV/mm：≥15 • 硬度：A16 • 拉伸强度Mpa：0.4 • 伸长率:150% 4
• 吸收系数：≥0.6（频率2MHz） 3.5导电柱 导电柱用于压电片与接线板之间的过渡连接，其中压电片一端采用导电胶粘接或焊接，而接线板一端
采用压接。采用粘接时使用DB5015，采用焊接时应使用低温焊接材料，导电柱的外形尺寸如图3-2所示。在粘接或焊接导电柱时，应将压电片固定在夹具上，并保证导电柱与压电片保持垂直和同心，中心偏差±0.1mm。
图3-2 导电柱尺寸 3.6接线板 接线板用于压电片与电缆之间的缓冲连接装置，以保护压电片不受电缆焊接应力的影响，这一点非常
重要。接线板采用厚度1mm的双面覆铜板制成，通过绘图布线进行加工。要求中心孔与导电柱配合压接，并要求接线板采用孔化、镀金处理，如图3-3所示。
图3-3 接线板布线图 J1 J2 5
3.7挡圈 挡圈用于卡固接线板。挡圈采用标准件，其外径应与壳体上腔室内壁螺纹动配合，可旋进安装。安装
需采用专用卡钳。孔用挡圈规格参见附表，加深色为推荐规格。 3.8引出电缆 在以上部件组装并测试合格之后，在焊接引出电缆并采用电子胶灌封，已达到IP68防护标准。电缆
采用2×0.2mm2的多股耐高温柔性电缆，电缆外径约3～3.5mm，弯曲半径大于6mm。
4. 装配前工作 4.1装配要求 1. 在装配之前必须对各部件进行检测，凡是不合格的部件禁止上线。
2. 由于各部件体积较小，手工操作不便，所以需要制作一些工装夹具，以保证顺利装配。 3. 准备必要的测试仪器，以检验各部件和整个换能器的产品性能。 4. 装配人员在操作时需戴保护手套，防止汗水沾污元件。 5．装配压电片要格外小心，禁止用尖状硬物夹持元件，以防止元件表面镀银层被划伤或破损。 4.2元件外观检查 在装配之前应对各元件进行外观检查，外观应符合表4-1要求。
表4-1 元件外观要求 元件 合格描述 压电片 • 压电片直径和厚度应符合设计要求 • 压电片两面镀银层应平整、均匀、无明显伤痕
外壳 • 尺寸公差应符合图纸设计要求 • 压电腔内、外表面平整，光洁度应符合图纸要求。 • 壳体内外端面无毛刺。 • 壳体内外表面无油渍、污垢和杂质。
导电柱 • 尺寸公差符合图纸设计要求 • 端面平整、无毛刺 • 柱体无油渍、污垢和杂质。
接线板 • 尺寸公差符合图纸设计要求 • 镀金层平整、均匀、无明显伤痕 • 无短路、断路现象
挡圈 • 挡圈尺寸应符合设计要求 • 挡圈应平整，无扭曲现象 电缆 • 规格及型号符合要求 6
4.3 基本性能测试 通过对压电片基本性能测试，可以检查压电片的质量是否符合使用要求。 4.3.1 测试绝缘电阻 使用万用表电阻R×100K挡，测其绝缘电阻应为无穷大。 4.3.2测试静电容 使用万用表电容2nF档，测试压电片的静电容，正常值应为1100～1600pF(1.1～1.6nF)，如果电容量极小，说明内部材料介电常数不合格。 4.3.3测试机电特性 将压电片的一面放置在一个平整的薄铜片上作为压电片的一个接触电极，铜片厚度大约为1mm。用万用表的2.0V直流电压挡测量压电片的输出电压来确认机电特性。具体方法是：将红表笔接铜片，黑表笔接压电片的另一电极面，然后用绝缘捧稍微用力压一下压电片，随后立即松开，这样在压电陶瓷片两端会产生两个极性相反的电压信号，开始显示的数字为正值，接着回到零，随后显示的数字为负值，其变化幅值约为±0.1～0.2V，幅值越大，说明灵敏度越高。若万用表数字静止不动，说明压电片内部漏电或破损。 通过以上检查基本可以确认压电晶片是否可用，但不能完全保证上线，还需要对其它参数进行测试。 4.4 压电参数测试 主要压电参数测试包括： • 测试压电片的谐振频率和反谐振频率fr、fa • 测量谐振阻抗Zm
4.4.1测试原理
利用压电陶瓷的谐振特性作为压电换能器，因为压电片是一弹性体，并存在固有谐振频率，当外界作用的频率等于谐振频率时，压电片就会产生机械谐振，谐振时振幅越大，产生的机械能量也就越大。因此，基于压电片的压电效应，采用输入电信号的方法，利用逆压电效应使压电片产生机械振动，而利用正压电效应输出电信号。 4.4.2测试线路 图4-1给出完整的测试线路。它是由一台正弦波信号发生器、一台高频交流电压表、一个可变电阻器和开关线路组成。该线路可以测试压电片的谐振频率、反谐振频率、谐振阻抗、品质因数，并通过计算获得机电耦合系数。 7
4.4.3测试谐振频率 将压电晶片接入测试线路中，将开关K1置于A位置，开关K2置于B1或B2位置。调节信号发生器输出电压为1V，并逐步由低到高改变电压频率，当信号频率调至接近2MHz频率时，对应该频率的压电晶片应产生谐振，进一步微调频率，使其谐振阻抗应最小，输出电压应最大，该点即为压电晶片最小阻抗时的频率。反之，当信号频率继续增大到某一频率时，晶片阻抗最大，输出电压最小，以表示最大阻抗时的频率。测试结果，把阻抗最小时的频率看作是谐振频率，阻抗最大时的频率作为反谐振频率。设计要求：谐振频率应满足2MHz±15%；反谐振频率：3.414MHz±15%。 4.4.4测试谐振阻抗 将开关K1拨至C位置，也就是用无感电阻计代替压电片。开关K2拨到测试压电片时的位置B1或B2，保持信号发生器到谐振频率处，改变电阻计的阻值，使电压表指示值与测试压电片时相同，当拨动开关K1 到A位置时，电压指示值仍保持不变，此时测量电阻计的阻值即为压电片的谐振阻抗Zm。不同压电片在同一谐振频率下时谐振阻抗存在偏差，但要求偏差在±10%以内。
5. 装配 5.1 装配流程 整个装配工作按图5-1所示流程图进行。装配分为10步： 第一步：清洗外壳、导电柱和压电晶片 第二步：将导电柱粘接或焊接在压电片上 第三步：粘贴压电片 第四步：填充吸声剂 第五步：安装接线板及挡圈 第六步：测试固化的压电片
信 号 发 生 器
交流 电压表
RI=600 RT=600
Rt=0～1K
5.1Ω 1KΩ A C
B1
图4-1 压电晶片测试线路
K1 K2
B2