压电超声换能器的测试—功率放大器应用分享

超声换能器是一种能将高频电能转化为机械能的一种装置。目前的超声换能器发展迅速，基于 MEMS 工艺，采用微电子和微机械加工技术制作出来的新型超声换能器具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高等特点，应用的范围也更加广泛。

超声换能器一般分为压电式和电容式换能器两种类型。一般使用功率放大器驱动，压电式超声换能器是通过材料的压电效应将电信号转换为机械能（即超声波）再传递出去；电容式超声换能器是一种静电式换能器，它的膜片依靠静电吸引力推动发声，产生超声波。这两者在研制和应用上都具有各自的特点和优势，发展迅速。

本文基于压电材料 PZT 设计了一种新型柔性压电超声换能器，能够将电能转变为机械振动，从而产生超声波。并对柔性压电超声换能器进行了水下超声发射实验。

实验设备：示波器（KEYSIGHT-DSOX3054A）、信号发生器（AgilentE4432B）、功率放大器（ATA-4011）和高精度水听器（RESON-TC4038）

实验内容：

通过步进电机控制实现测试夹持平台在 X、Y 和 Z 轴的上的位移。信号发生器和功率放大器作为激励端，给柔性压电超声换能器一个激励的正弦信号。固定位置的水听器用于水下接收柔性压电超声换能器发射出来的超声波，并通过示波器反馈到主机，进行采集数据。

本次测试首先采用频率为 321.15kHz（通过阻抗分析仪先前在水中测得的器件谐振频率）幅值为 10V 正弦电压作为柔性压电超声换能器工作的激励信号。控制水听器与柔性压电超声换能器的距离为 5cm（由于设备自身装配的关系，水听器与待测器件的最小距离为 5cm），并且保证水听器的接收端对准待测器件的中心位置。测试的结果如图所示，黑色的波形是信号发生器产生的波形，蓝色的波形是水听器接收到的波形。从图中可以看出，水听器接收到的超声信号电压峰峰值为31mV。但是在实验测试中，在不改变水听器和柔性压电超声换能器的相对位置和激励电压幅值的情况下，反复改变正弦激励的频率时，发现在频率为 357kHz 时，水听器接收到的超声信号强度最大。 

 

为相同距离下频率为 357kHz 幅值为 10V 的正弦激励信号下水听器接收到的超声信号波形。从图中可以看出，水听器接收到的电压峰峰值为 64.3mV，大于在频率 321.15kHz 下测得的 31mV。

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审核编辑：符乾江