铌酸锂高频超声换能器的研制与输出功率测量

论文摘要

超声波流量计量装置广泛用于包括电厂在内的大量工业企业,用于天然气、蒸汽、水等流体的计量。工作原理是在流体管道外设置超声波发送和接收装置（发送装置一般简称超声换能器）,利用超声波可以透射物体的特性,测量管内流体流速。针对不同的流速、不同的介质、不同的工况,超声换能器输出适当的功率可以使测量准确度大大提高。但是,由于缺乏工业用的功率检测装置,使得超声收发装置的声参数的定量测量受到了制约。目前,国际上普遍对医用超声诊断仪和治疗仪的超声源的声输出对人体尤其是胎儿产生不良影响给予极大的关注,因而医用超声设备的输出声功率大小受到非常严格的控制。我国与国际接轨,相应地就建立了完整体系的超声功率检测装置或者直接用全国最高准确度的国家超声功率基准装置来进行检测。随着超声应用技术与各种超声设备的迅速发展,测量覆盖频率和声功率指标的拓展,我国原来建立的毫瓦级和瓦级超声功率基标准装置一直沿用的石英换能器的最高测试频率仅到10MHz,量程范围为1mW20W,测量准确度为5%（k=2,即置信概率P=95%）。已经不能适应和满足发展的频率和功率测量要求,并与当今国际发展水平有一定的差距。2007年作者负责的课题组在改造毫瓦级和瓦级超声功率国家基准装置的过程中,采用铌酸锂晶体研制标准超声换能器,并制作相应的阻抗匹配器和介质温度测量等设备,使得超声功率国家基准装置的测量准确度提高到3%（k=2）,达到国际先进水平。近年来,在进行的国际超声功率量值比对中,参加比对的少数国家所用标准换能器的最高频率已达15.8788MHz。为缩小与国际上的差距,研制更高频率的标准换能器显得十分迫切。本文以此为基点,进行了铌酸锂高频超声换能器的研制与输出功率测量的研究工作,主要研究内容有:1.通过对比研究,铌酸锂具有与石英接近的机械品质因数和稳定性,且厚度伸缩振动模式的机电耦合系数比石英高得多,因此作为高频标准换能器的压电材料是理想的选择。通过铌酸锂单晶体切型对比研究,发现最理想的方法是采用36°rotated y-cut的斜切割方式对严格从Z轴提拉法生长的铌酸锂单晶压电晶片进行切割。通过对h型压电方程的求解,得出并联谐振频率fp与晶片厚度的关系,用以指导换能器设计时选择并确定晶片所需的厚度范围。计算表明当基频谐振频率在18MHz量级时,晶片厚度小至0.2mm。2.研究电极布局方式与电极厚度等因素。采用X射线衍射对提拉法生长的铌酸锂单晶检测,表明单晶严格遵从Z轴方向提拉。采用磁控溅射方法将纯金沉积到晶片表面做电极,使用干涉显微镜测得其厚度为43nm。X射线衍射检测表明:所镀金层电极结晶情况良好,不仅具有（111）晶面的择优取向,另外还具有（200）与（220）等晶面。3.运用有限元计算分析软件ANSYS对换能器的模型进行模拟,通过谐响应分析计算研究了铌酸锂高频超声换能器的导纳分量G、B随频率f的变化曲线。在此基础上,计算了该换能器的等效电路参数,其计算结果为该换能器设计提供了指导,同时为该换能器匹配电路的设计提供参考。4.使用铌酸锂压电晶片,设计制作了6款不同规格的换能器,覆盖频率范围0.518MHz。利用导纳圆图法,结合最小二乘法对测量数据进行处理,得出各款换能器的串联谐振频率fs、静态电容C0、有功电阻R1等电学参数,在此基础上研究确定匹配电路的电感值和变压器参数。通过16个月以上时间的运行考察,所研制铌酸锂换能器辐射声导稳定性均小于2%,符合超声功率基准装置标准换能器的使用要求。5.通过在超声功率国家基准装置上的测量结果表明,所研制铌酸锂标准换能器的辐射声导值在mS量级,输入输出线性度（R2）均达到0.9999以上。谐振频率高达18.5MHz的一款换能器其辐射声导值达33.4mS,与常用的石英标准换能器相比,只需输入较低的驱动电压便能在高频范围内获得较高的超声波功率,有效地解决了高频高压的量值溯源的国际性难题。初步实现了在高频下利用较低输入电压便可输出量值可观的超声功率的目标。本文以标准超声换能器为切入点,通过相关的研究工作和声参数测量方法的研究,为进一步探讨工业用超声换能器声参数测量奠定了基础。本文的部分成果在2007年12月获得国家质检总局2007年“科技兴检奖”三等奖,在2008年5月获“2007年广东省科学技术奖”三等奖,本文作者都为第一获奖人。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 超声换能器研究进展概述
• 1.3.1 超声换能器的分类
• 1.3.2 超声换能器的研究方法
• 1.3.3 超声换能器的发展动态
• 1.3.4 标准超声换能器的作用与研究现状
• 1.4 超声功率测量与量值传递研究综述
• 1.4.1 超声功率的测量原理与方法
• 1.4.2 超声功率量值传递的意义与方法
• 1.5 本文的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 压电材料的相关理论与铌酸锂晶体的压电特性
• 2.1 引言
• 2.2 压电材料概述
• 2.2.1 压电材料的发展
• 2.2.2 几种典型单晶压电材料简介
• 2.3 压电材料主要参数和压电方程
• 2.3.1 力学参数
• 2.3.2 电学参数
• 2.3.3 压电方程和压电参数
• 2.4 铌酸锂晶体结构与其压电特性
• 2.4.1 铌酸锂晶体结构与对称性
• 2.4.2 铌酸锂电弹常数矩阵
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于有限元法的换能器的设计
• 3.1 ANSYS简介及在换能器设计中的应用
• 3.2 压电换能器有限元法分析的理论基础
• 3.3 ANSYS用于分析的理论基础
• 3.4 ANSYS分析的基本过程
• 3.5 基于有限元法的铌酸锂高频超声换能器的性能参数分析
• 3.6 换能器振动模态研究
• 3.7 本章小结
• 第四章 铌酸锂压电晶片的制备
• 4.1 引言
• 4.2 压电晶片的总体设计
• 4.2.1 晶体的切割方式
• 4.2.2 晶片尺寸确定
• 4.2.3 电极层的构造与厚度
• 4.3 铌酸锂单晶的生长与切割
• 4.3.1 晶体的生长
• 4.3.2 晶体的切割
• 4.3.3 晶体的X射线衍射
• 4.4 磁控溅射法制备金层电极
• 4.4.1 磁控溅射工作原理
• 4.4.2 磁控溅射技术优势
• 4.4.3 实验装置与条件
• 4.5 成品晶片的相关检测
• 4.6 本章小结
• 第五章 标准换能器及匹配电路的研制
• 5.1 引言
• 5.2 换能器等效电路研究方法
• 5.2.1 传输线等效电路
• 5.2.2 Mason等效电路
• 5.2.3 KLM等效电路
• 5.3 标准换能器主体的设计
• 5.4 换能器主要电学参数的测量
• 5.4.1 换能器特征频率
• 5.4.2 导纳圆图法
• 5.4.3 测量设备与实验方法
• 5.4.4 测量结果与讨论
• 5.5 匹配电路的研究
• 5.5.1 匹配原理
• 5.5.2 静态匹配类型
• 5.5.3 阻抗变换方法
• 5.6 本章小结
• 第六章 换能器输出功率的测量
• 6.1 引言
• 6.2 辐射压力法测量原理
• 6.2.1 测量原理
• 6.2.2 力声转换系数
• 6.3 辐射压力法超声功率测量装置
• 6.3.1 基准装置系统构成概述
• 6.3.2 消声水槽与反射靶的构造
• 6.3.3 实验条件与操作步骤
• 6.4 换能器辐射声导的确定与线性度表征
• 6.4.1 实验内容与数据处理方法
• 6.4.2 测量结果与讨论
• 6.4.3 不同材料及切型Gr值比较
• 6.5 换能器辐射声导稳定性考察
• 6.5.1 实验内容与数据处理方法
• 6.5.2 测量结果与讨论
• 6.6 瓦级与毫瓦级基准装置测量结果比对
• 6.6.1 比对目的
• 6.6.2 实验内容与数据处理方法—t-检验法
• 6.6.3 测量结果与讨论
• 6.7 辐射压力法输出功率测量不确定度分析
• 6.7.1 数学模型及灵敏系数
• 6.7.2 标准不确定度分量的分析、计算
• 6.7.3 合成标准不确定度与扩展不确定度
• 6.8 辐射压力法GR的不确定度分析
• 6.8.1 数学模型
• 6.8.2 标准不确定度的分析、计算
• 6.9 电学法测量辐射声导
• 6.9.1 测量原理
• 6.9.2 测量仪器与测量方法
• 6.9.3 测量结果与误差分析
• 6.10 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件