[实用新型]一种空耦式压电超声换能器及其等效电路模型

说明书

本实用新型公开了一种空耦式压电超声换能器，包括分离式的发射端和接收端。两端均包括外壳，外壳一侧设置有接插件，外壳另一侧设置有匹配层；外壳内部包括与匹配层连接的压电晶片，压电晶片通过导线连接接插件，其中发射端在导线上设置有匹配电路。压电晶片为1‑3型压电复合材料，匹配层为空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料。一种空耦式压电超声换能器等效电路模型，包括发射端等效电路模型和接收端等效电路模型。通过梅森等效电路对压电晶片进行等效。该模型充分考虑材料的声阻抗和声衰减。选用低衰减性的匹配层材料，仅用单层匹配层即可实现高灵敏度的效果。该空耦式超声换能器具有灵敏度高，频率带宽宽，结构简单，成本低，工艺可靠等优点。

技术领域

本实用新型涉及超声无损检测领域，尤其涉及一种空耦式压电超声换能器及其等效电路模型。

背景技术

空耦式压电换能器是一种重要的非接触式超声检测用换能器，可实现无需在被检测对象表面涂覆耦合剂而直接通过空气耦合进行超声检测，广泛应用于航空、食品、医学等对耦合剂敏感或粗糙表面、大平面、高速扫查等容易导致传统接触式换能器磨损的场合，是非接触超声检测设备的核心部件之一。

然而，相较于常规的接触式超声检测换能器，设计制造空耦式压电换能器的难点是由于气-固界面声阻抗严重失匹导致的换能器灵敏度大幅降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的缺陷。

为达到上述目的，一方面，本实用新型提供了一种空耦式压电超声换能器，包括分离式的发射端和接收端。其中，

发射端包括第一外壳，第一外壳一侧设置有第一接插件，第一外壳另一侧设置有开口，该开口处设置有第一匹配层，使第一外壳形成密闭空间；第一外壳内部包括与第一匹配层连接的第一压电晶片，第一压电晶片通过导线连接匹配电路，匹配电路通过导线连接第一接插件；

接收端包括第二外壳，第二外壳一侧设置有第二接插件，第二外壳另一侧设置有开口，该开口处设置有第二匹配层，使第二外壳形成密闭空间；第二外壳内部包括与第二匹配层连接的第二压电晶片，第二压电晶片通过导线连接第二接插件。

优选地，匹配电路根据工作中所使用的激励源参数设计；第一压电晶片和第二压电晶片为1-3型压电复合材料；第一匹配层和第二匹配层为空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料。

另一方面，一种空耦式压电超声换能器等效电路模型，包括发射端等效电路模型和接收端等效电路模型。其中，

发射端等效电路模型包括激励源电路、匹配电路、第一压电晶片电路、第一匹配层电路和第一空气介质电路。

优选地，激励源电路包括第一电源Vs和激励源内阻r；

匹配电路包括第五电感Ls和第五电容Cp；

第一压电晶片电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一阻抗Zb1、第一复阻抗Zp1、第二复阻抗Zp2、第三复阻抗Zp3、第一电感L1和第二电感L2；

第一匹配层电路包括第四复阻抗Zw1、第五复阻抗Zw2和第六复阻抗Zw3；

第一空气介质电路为第二阻抗Za1。