工科碩士預(yù)答辯

2011級(jí)研究生預(yù)答辯報(bào)告毫瓦級(jí)標(biāo)準(zhǔn)壓電超聲換能器的研制及性能測(cè)試論文提綱1緒論2標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器工作原理及應(yīng)用3標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的設(shè)計(jì)及研制4超聲換能器聲場(chǎng)特性研究實(shí)驗(yàn)5超聲換能器輸出功率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)6結(jié)論和展望1緒論選題背景

隨著超聲診斷的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些醫(yī)學(xué)專家研究認(rèn)為，超聲波檢查并非對(duì)人體安全無害，超聲功率過大會(huì)對(duì)人體細(xì)胞產(chǎn)生極度的空化效應(yīng)。為保證患者生命安全，相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程明確規(guī)定，用于檢測(cè)各種超聲設(shè)備功率的毫瓦級(jí)超聲功率計(jì)需要定期送到計(jì)量檢定部門強(qiáng)制檢定，強(qiáng)檢周期為一年。研究意義毫瓦級(jí)超聲功率溯源體系

超聲功率國(guó)家基準(zhǔn)/副基準(zhǔn)省級(jí)毫瓦級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超聲源（本級(jí)計(jì)量檢定器具）毫瓦級(jí)超聲功率計(jì)（地市級(jí)計(jì)量器具）各種醫(yī)用超聲設(shè)備直接比對(duì)直接比對(duì)直接比對(duì)

本文的研究意義在于從國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，研制穩(wěn)定度高、具有一定輸出頻率的標(biāo)準(zhǔn)換能器，并通過毫瓦級(jí)超聲功率基準(zhǔn)標(biāo)定其輸出功率，完善目前所用的標(biāo)準(zhǔn)超聲源，為超聲功率的量值傳遞提供可靠的依據(jù)，為人體安全提供保障。

標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器研究現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代，我國(guó)研制出了石英單晶標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器；2006年廣東省計(jì)量科學(xué)研究院自行研發(fā)的鈮酸鋰單晶標(biāo)準(zhǔn)換能器作為國(guó)家基準(zhǔn)，最高頻率可達(dá)10MHz，發(fā)射功率范圍1～1000mw，功率不確定度U=3%（k=2），代表了國(guó)內(nèi)最高水平。但鈮酸鋰材料在標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的應(yīng)用，在省級(jí)計(jì)量部門還未得到普及。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)換能器的工作頻率普遍較高，德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院研制的鈮酸鋰超聲換能器可進(jìn)一步采用7次倍頻工作，最高頻率達(dá)15MHz。

2標(biāo)準(zhǔn)壓電超聲換能器

工作原理及應(yīng)用壓電效應(yīng)

機(jī)械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電超聲換能器諧振特性

電流隨頻率變化特性壓電換能器諧振時(shí)等效電路RdLdUCoCd標(biāo)準(zhǔn)壓電超聲換能器在毫瓦級(jí)超聲功率計(jì)檢定中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壓電超聲換能器應(yīng)用功率信號(hào)源阻抗匹配器標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器毫瓦級(jí)超聲功率計(jì)功率放大器3標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的設(shè)計(jì)及研制鈮酸鋰單晶壓電性能Ozxy表示質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向35orotatedy-cutz-cut163orotatedy-cut41ox-cut41o163o35o切割角度振動(dòng)模式機(jī)電耦合系數(shù)頻率常數(shù)聲阻抗率Y-10°厚度伸縮0.17——Y-35°厚度伸縮0.49370034.8Y-163°厚度剪切0.62228021.4Z厚度伸縮0.17366034.4X厚度剪切0.68240022.3壓電晶片尺寸設(shè)計(jì)晶片直徑尺寸D（1）設(shè)壓電振子厚度為t，直徑為，原則上當(dāng)時(shí)，對(duì)Y-35°的壓電晶片施加沿厚度方向的電壓，壓電振子做高純度厚度伸縮運(yùn)動(dòng)；（2）受毫瓦級(jí)超聲功率基準(zhǔn)中反射靶面積大小的限制，一般小于反射靶面積的1/2。綜合以上因素以及晶體的制備成本等，本文選擇壓電振子直徑為25mm。晶片厚度尺寸t壓電晶片電極設(shè)計(jì)電極設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素（1）電極材料的選擇—金（2）電極鍍膜工藝方法選擇—磁控濺射法,厚度為300nm（3）電極外形及尺寸設(shè)計(jì)—環(huán)形電極外殼設(shè)計(jì)塞子、套筒外形及尺寸外殼形狀及尺寸

換能器裝配流程及工藝特性

（1）電極的焊接。焊接前，應(yīng)將鈮酸鋰壓電晶片進(jìn)行加溫一段時(shí)間，以免晶片表面與烙鐵溫差過大引起晶片驟裂；焊接時(shí)必須控制好溫度，否則容易導(dǎo)致金層電極脫落，影響導(dǎo)電性能。

（2）固定壓電晶片。將已經(jīng)焊接好電極的鈮酸鋰晶片從外殼頂部小心放置底部，置于最底端的邊沿上面，由于外殼底部孔的直徑小于晶片直徑，與晶片從底端裝配的方式相比，可起到良好的固定作用。（3）負(fù)極的連接。將特定尺寸的黃銅圓環(huán)置于鈮酸鋰晶片表面，注意圓環(huán)應(yīng)該很好地與環(huán)形電極的負(fù)極（外側(cè)圓環(huán)電極）和內(nèi)壁接觸，且不能與正極接觸，避免短路。（4）固定晶片。將彈簧墊片放在黃銅圓環(huán)上方，把帶有外螺紋的圓環(huán)沿著外殼頂端的螺紋放入殼內(nèi)，到達(dá)殼底部第二道螺紋位置處，旋轉(zhuǎn)螺紋直至與晶片上方的圓環(huán)緊密接觸。（5）封裝換能器。先通過螺紋將套筒與外殼連接起來，然后從晶片正極引出的導(dǎo)線與BNC焊接起來，將BNC裝入塞子中心位置的圓孔內(nèi)（螺紋連接），通過四個(gè)螺釘固定塞子和套筒。采用螺紋的目的主要是為了避免過盈配合時(shí)因?yàn)閷?duì)外殼的加溫處理造成導(dǎo)線熔化和晶片損壞。超聲換能器聲場(chǎng)特性研究實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理和實(shí)驗(yàn)裝置

水聽器法——用已校準(zhǔn)的水聽器接收換能器輻射在水中的聲壓，通過水聽器靈敏度將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大并用示波器采集電壓波形來間接分析聲壓特性，通過處理電壓信號(hào)進(jìn)行聲壓和其他聲場(chǎng)特性的研究。

xzy步進(jìn)電機(jī)消聲水箱手動(dòng)控制滑塊超聲換能器水聽器連接數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)方法二維掃描—確定換能器工作頻率

二維聲場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)通過換能器在水中的輻射聲場(chǎng)測(cè)試，獲得時(shí)域和頻域的相關(guān)波形，綜合考慮換能器的頻率穩(wěn)定性、聲能量、帶寬等因素，確定換能器的工作頻率。實(shí)驗(yàn)在相同電壓、不同頻率的條件下進(jìn)行。（1）對(duì)頻率進(jìn)行粗略測(cè)試，在4.5～5.5MHz范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，頻率間隔為0.1MHz，分析每個(gè)頻率點(diǎn)水聽器所接收到的電壓波形，初步確定換能器工作頻率范圍，通過中心頻率判斷頻率的穩(wěn)定性。（2）通過間隔為0.01MHz的精細(xì)測(cè)試，并在小范圍內(nèi)觀察其頻譜特性，通過聲能量分布情況確定其工作頻率。

二維頻率測(cè)試結(jié)果

電壓最小幅值為11.5mV，在4.9MHz時(shí)，輸出電壓幅值達(dá)到最大，為17.5mV，而在5.1MHz時(shí)，電壓幅值達(dá)到最小值11.5mV。在5.3MHz處出現(xiàn)了二次電壓峰值13.5mV，但此峰值與4.9MHz處的輸出相比相差很多。頻率間隔為0.01MHz的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電壓峰值對(duì)應(yīng)4.9MHz，電壓最小幅值對(duì)應(yīng)4.95MHz。若選擇諧振頻率作為工作頻率，則工作頻率在4.9MHz附近，若選擇反諧振頻率為工作頻率，則在4.95MHz附近。

換能器10個(gè)頻率點(diǎn)的中心頻率與信號(hào)發(fā)生器的頻率基本一致，頻率穩(wěn)定性較好。在4.82~4.86MHz和4.94~5.0MHz兩個(gè)頻率區(qū)間，中心頻率高于外加頻率，偏離最大點(diǎn)處為外加頻率4.84MHz處，這時(shí)中心頻率為4.88MHz。由此可知，在換能器聲壓衰減3dB帶寬范圍內(nèi)，峰值右半邊較寬，導(dǎo)致中心頻率大于外加頻率。在4.90、4.92MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)中心頻率低于外加頻率，最大偏離值在4.92MHz處，這時(shí)中心頻率為4.89MHz，峰值左側(cè)寬度大于右側(cè)。在4.84、4.94MHz處，換能器的帶寬比較寬，證明換能器在這兩個(gè)頻率點(diǎn)的頻率穩(wěn)定性較好、能量在帶寬范圍內(nèi)較集中。二維測(cè)試頻譜特性分析結(jié)果

在基頻峰值聲壓相同的情況下，4.84MHz時(shí)，二次諧波的峰值聲壓占基頻峰值聲壓的三分之一左右，三次諧波的峰值聲壓不到基頻峰值聲壓的三分之一；而4.94MHz時(shí)，二次諧波峰值聲壓接近基頻聲壓的三分之一，且出現(xiàn)了干擾較強(qiáng)的三次諧波，峰值聲壓超過了基頻峰值聲壓的二分之一，并且在高頻15MHz附近出現(xiàn)了較強(qiáng)的高次諧波。通過實(shí)驗(yàn)比較，換能器的工作頻率選擇4.84MHz。三維聲場(chǎng)測(cè)試三維掃描—研究工作頻率下的聲場(chǎng)空間峰值特性

三維精密自動(dòng)掃描技術(shù)用來測(cè)試超聲聲場(chǎng)空間分布特性，通過高精度的步進(jìn)電機(jī)控制三維機(jī)械導(dǎo)軌，首先通過z軸掃描確定z軸的峰值（焦距）坐標(biāo)，然后在垂直于z軸的平面，逐漸掃描x、y軸，最終獲得z軸焦距處所在平面內(nèi)的聲場(chǎng)空間分布特性。通過三維聲場(chǎng)掃描，在焦距平面通過水聽器的移動(dòng)采集平面內(nèi)的聲壓信號(hào)，通過換能器空間分布特征，推斷換能器發(fā)射表面的性能。

超聲換能器輸出功率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)毫瓦級(jí)超聲功率基準(zhǔn)裝置1—反饋式自動(dòng)微量天平；2—信號(hào)發(fā)生器；3—反射靶支架；4—吸聲橡膠尖劈；5—被測(cè)換能器；6—支架和防氣流罩；7—防震裝置；8—吊絲；9—圓柱形消聲水槽

輸出功率標(biāo)定方法—輻射力天平法

輻射力天平法測(cè)量超聲功率是將超聲功率的計(jì)量溯源到聲產(chǎn)生的最終源頭—力學(xué)。在工作頻率下，改變激勵(lì)電壓可產(chǎn)生不同的力，輸出的超聲功率也不同，通過天平砝碼的重量來表征輻射功率的大小?；驹硎菍⒎瓷浒凶鳛檎系K物置于聲場(chǎng)中，超聲換能器向水中的輻射聲壓，產(chǎn)生了作用于反射靶上的力，數(shù)值上等于時(shí)間平均動(dòng)量流，并且與超聲強(qiáng)度和功率成正比。在小振幅平面超聲場(chǎng)中，反射靶上受到的力和超聲換能器發(fā)射的聲功率之間的關(guān)系為

c—超聲在流體中的聲速（m/s）；F—沿超聲波軸線方向作用于靶上的輻射力（N）；—反射靶面法線與入射聲束間的夾角（rad）。實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和要求：實(shí)驗(yàn)前應(yīng)提前制備好除氣蒸餾水，清潔被測(cè)超聲換能器發(fā)射面及外殼、反射靶，避免將顆粒雜質(zhì)等帶入水槽中。由于溫度、氣壓等外在條件會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響，因此要求（1）大氣壓強(qiáng)：（86～106）kPa；（2）實(shí)驗(yàn)室溫度：（22±1）℃；（3）大氣相對(duì)濕度：＜85%；（4）靶距應(yīng)小于近場(chǎng)距離。為保證平面波近似條件的滿足，要求。k為水中的角波數(shù)，，為水中的波長(zhǎng)；a為輻射面的半徑。測(cè)量還應(yīng)盡量保證自由場(chǎng)條件的滿足，避免駐波的出現(xiàn)，保證靶面的反射波不返回到換能器表面。減小測(cè)量誤差的措施（1）天平的讀數(shù)除了采取多次測(cè)量求平均值的方法外，每一次讀數(shù)均采取

這樣可以減少由于溫度、以及外界的振動(dòng)等因素導(dǎo)致的天平漂移引起的讀數(shù)誤差。（2）由于毫瓦級(jí)基準(zhǔn)裝置的測(cè)量精度受工作時(shí)間的影響，超聲在水中的輻射時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)引起溫升，重復(fù)測(cè)量時(shí)，一次實(shí)驗(yàn)完成10個(gè)功率點(diǎn)的一組測(cè)量數(shù)據(jù)，并且盡量縮短每次測(cè)量的時(shí)間，避免由于測(cè)量裝置由于工作時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需在同樣的起始水溫和外界條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

檢定毫瓦級(jí)超聲功率計(jì)是依據(jù)已知輻射電導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器，輻射聲導(dǎo)指換能器工作是時(shí)輸出功率和電壓平方的比值，即

通過計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器的聲功率與功率計(jì)實(shí)測(cè)值之間的直接比對(duì)，通過誤差計(jì)算判定功率計(jì)是否合格。用已經(jīng)標(biāo)定過的標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器進(jìn)行檢定時(shí)取1,3,5,7,10,20,50,100,200，300,500mW等功率點(diǎn)來進(jìn)行檢定，對(duì)于未經(jīng)標(biāo)定的換能器，為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其性能，實(shí)驗(yàn)時(shí)在輻射功率范圍內(nèi)，得出多組測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)為了更大限度的減少誤差，進(jìn)行多組測(cè)量。不確定度評(píng)定數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出

輸出功率不確定度聲速輻射力反射靶夾角人為操作原因重復(fù)性（1）由聲速引起的不確定度

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得溫度的變化范圍是±3℃，取均勻分布，則

實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度為22℃，因此由聲速帶來的不確定度為（2）由輻射力天平引起的不確定度

我國(guó)毫瓦級(jí)超聲功率基準(zhǔn)的精密天平所帶來的不確定度最大不超過1.0%，這里取

（3）由反射靶自身的夾角的加工引起的不確定度

毫瓦級(jí)超聲功率基準(zhǔn)裝置中的角度準(zhǔn)確度為10′，則（4）實(shí)驗(yàn)中人為操作原因引起的不確定度a.由于反射靶的與平面活塞標(biāo)準(zhǔn)壓電超聲換能器發(fā)射聲束偏離引起的不確定度。將由于實(shí)驗(yàn)中未對(duì)準(zhǔn)情況下反射靶所受到的力分解，則垂直方向上的分力為，則實(shí)際功率與測(cè)量功率的誤差為

反射靶與壓電換能器中心未平行的角度偏差不超過3°，則由這種微量的分力引起的相對(duì)不確定度b.由反射靶的不垂直引起的不確定度實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)射靶不完全垂直，法線與垂直方向會(huì)有偏差，反射靶法線與垂直方向的角度偏差最大1°，取均勻分布得，（5）重復(fù)性引起的不確定度功率點(diǎn)123456789101.122.974.9410.0618.9551.2573.6699.9147.5201.10.010.030.060.040.100.180.440.311.101.750.9%0.8%1.2%0.4%0.5%0.7%0.4%0.6%0.3%0.7%合成不確定度和擴(kuò)展不確定度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度擴(kuò)展不確定度在省級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超聲換能器中，包含因子的值取2。各功率點(diǎn)不確定度

功率點(diǎn)12345678910（%）1.631.581.821.421.451.531.421.491.401.53U（%）3.33.23.62.82.93.12.83.02.83.1輸出功率和輻射電導(dǎo)擬合曲線輻射電導(dǎo)計(jì)