超聲探傷儀、超聲波探頭、測試塊和耦合劑等是超聲檢測系統(tǒng)的重要組成部分。超聲波檢測的主要設(shè)備是超聲波探傷儀，它可以快速、方便、無損傷地檢測、定位、評估和診斷工件中的各種缺陷。由于超聲波探頭可實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，所以超聲波探頭也叫超聲波換能器，其電聲轉(zhuǎn)換是可逆的，且轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，可以忽略不計(jì)。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式和電聲轉(zhuǎn)換的不同，超聲波換能器有很多種。這些電聲轉(zhuǎn)換方式有：利用某些金屬（鐵磁性材料）在交變磁場中的磁致伸縮，產(chǎn)生和接收超聲波；利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電磁超聲以及利用機(jī)械振動、熱效應(yīng)和靜電法等都能產(chǎn)生和接收超聲波，利用壓電效應(yīng)原理制成的壓電材料是目前用得最多的超聲換能器。

1. 壓電效應(yīng)

  有一種晶體，當(dāng)受到擠壓或者拉伸作用力的時(shí)候，產(chǎn)生形變，使得其中的帶電質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移，因此大小相等極性相反的正電荷和負(fù)電荷會出現(xiàn)在晶體表面，然后在兩端產(chǎn)生不同的電荷，此時(shí)晶體將處于帶電狀態(tài)，并且由作用力產(chǎn)生的電荷量與作用力的大小成正比；當(dāng)作用力撤去之后，晶體恢復(fù)到它的中性狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱作正壓電效應(yīng)。當(dāng)此類晶體處于電場中時(shí)，晶體會沿一定的方向產(chǎn)生機(jī)械形變；電場撤去之后形變消失，晶體恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)被統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)，如圖3.1所示。這種物理現(xiàn)象在1880年被居里兄弟發(fā)現(xiàn)，正是由于這種現(xiàn)象，壓電晶體被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生超聲波的晶體振蕩器。

  壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，就會產(chǎn)生電位差（稱為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓時(shí)，會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是高頻振動，就會產(chǎn)生高頻電流。當(dāng)高頻電信號應(yīng)用于壓電陶瓷上時(shí)，會產(chǎn)生高頻聲信號（機(jī)械振動），通常稱為超聲信號。也就是說，壓電晶片可以因機(jī)械形變產(chǎn)生電場，也可以因電場的作用產(chǎn)生機(jī)械形變，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換，這種內(nèi)在的機(jī)電耦合效應(yīng)使得壓電晶體在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2. 壓電晶體

  在機(jī)械力的作用下，產(chǎn)生形變，使帶電粒子具有相對位移，使晶體表面具有正負(fù)束縛電荷，這樣的晶體叫作壓電晶體。壓電晶體極軸兩端產(chǎn)生的電勢差的性質(zhì)稱為壓電特性。分為單晶體與多晶體，其中多晶體材料又稱作壓電陶瓷。硫酸鋰、鈮酸鋰、石英等為常用的單晶材料。常用的多晶材料有鈦酸鋇、鈦酸鉛等。多晶體材料又稱為壓電陶瓷。其中單晶體材料對接收更靈敏，多晶材料的發(fā)射靈敏度較高。

  超聲波換能器中的壓電晶片具有壓電效應(yīng)，可利用超聲換能器中壓電芯片的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超聲波的產(chǎn)生和接收。在壓電晶體兩側(cè)的電極通交流電，通過逆壓電效應(yīng)可知，晶片會在厚度方向產(chǎn)生伸縮的機(jī)械振動，將電能轉(zhuǎn)換成聲能（機(jī)械能），此時(shí)探頭便發(fā)射出超聲波，再通過合適的耦合劑與待檢測工件連接，振動產(chǎn)生的超聲波便進(jìn)入了工件。當(dāng)壓電晶片接收到超聲波時(shí)，受到聲波能量的激發(fā)便會產(chǎn)生振動發(fā)生機(jī)械形變從而使晶體兩個(gè)表面產(chǎn)生大小相同極性相反的電荷，形成超聲波頻率的高頻電壓，超聲波探傷儀的接收電路正是通過對返回的電信號進(jìn)行一系列處理從而判斷工件是否有傷。顯然，超聲波換能器的作用是實(shí)現(xiàn)聲能與電能的相互轉(zhuǎn)換。

 壓電晶體分為單壓電晶體與多晶壓電陶瓷。其中，壓電陶瓷占有相當(dāng)大的比重，是市場上應(yīng)用最為廣泛的壓電材料。分述如下：

  a. 壓電單晶體:  石英、水溶性壓電晶體（酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀等）。

  b. 多晶體壓電陶瓷:   鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶為代表性的壓電陶瓷。

3. 壓電單晶體

 石英晶體性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好，但價(jià)格昂貴，壓電系數(shù)遠(yuǎn)低于壓電陶瓷，所以一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器。石英晶體諧振器具有很高的品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定性，可用于對講機(jī)、電子手表、電視機(jī)、電子儀器等產(chǎn)品的諧振腔，如圖3.2所示為石英晶體的壓電模型。

 此外，酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀等水溶性壓電晶體是常見的單晶壓電材料。目前，通過單晶化來提高多晶壓電陶瓷（如鈦酸鉛）的壓電性能是壓電材料的研究熱點(diǎn)之一。

4. 多晶體壓電陶瓷

  多晶體壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的功能陶瓷材料，在高溫下將氧化物混合燒結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)換。目前市場上常見的多晶體壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛（PZT)系壓電材料。壓電材料的研究熱點(diǎn)主要有：①. 低溫?zé)Y(jié)PZT陶瓷；②. 大功率高轉(zhuǎn)換效率的PZT壓電陶瓷；③. 壓電復(fù)合材料；④. 無鉛壓電陶瓷；⑤. 單晶化。如圖3.3所示為壓電陶瓷的發(fā)展歷史。

5. 壓電晶體的主要性能參數(shù)

 a. 壓電應(yīng)變常數(shù) d₃₃

 壓電應(yīng)變常數(shù)表示單位電壓作用于壓電晶體時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變大小，其表達(dá)式為

  d₃₃ = Δt/U

  式中 Δt-晶片在厚度方向的形變量，單位為m(米）；

         U--施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力，單位為V(伏特）。

 壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₃是測量壓電晶體材料發(fā)射靈敏度的重要參數(shù)。d₃₃值越大，發(fā)射性能越差，發(fā)射靈敏度越高。

b. 壓電電壓常數(shù) g₃₃

 壓電電壓常數(shù)表示施加在壓電晶片上的單位應(yīng)力所產(chǎn)生的壓電梯度大小，其表達(dá)式為

  g₃₃ = U_p/P

 式中 P-施加在壓電晶片兩面的應(yīng)力，單位為N(牛）；

      U_p-晶片表面產(chǎn)生的電壓梯度，U_p = U/t，單位為V/m(伏特／米）。

c. 介電常數(shù) ε

介電常數(shù)是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，其表達(dá)式為

 ε=C t/A

 式中 C-電容器電容；

       t-電容器極板距離；

       A-電容器極板面積。

 由介電常數(shù)表達(dá)式可知，當(dāng)電容器極板距離和面積一定時(shí)，介電常數(shù)ε越大，電容C越大，即電容器存儲電量越多。壓電晶體的ε應(yīng)根據(jù)不同的用途來選取。超聲波檢測的壓電晶體，頻率要求高時(shí)，應(yīng)小一些。由于ε小、C小，電容器充放電時(shí)間短，頻率高。反之，應(yīng)該大一些。

d. 機(jī)電耦合系數(shù) K

 機(jī)電耦合系數(shù)K,表示壓電材料機(jī)械能（聲能）與電能的轉(zhuǎn)換效率，即

 K= 轉(zhuǎn)換的能量/輸入的能量

 對于正壓電效應(yīng)，K=轉(zhuǎn)換的電能／輸入的機(jī)械能。對于負(fù)壓電效應(yīng)，K=轉(zhuǎn)換的機(jī)械能／輸入的電能。

 探頭晶片振動時(shí)，會產(chǎn)生厚度和徑向兩個(gè)方向的伸縮變形，因此機(jī)電耦合系數(shù)分為厚度方向K_t和徑向K_p。K_t大，探測靈敏度高；K_p大，低頻諧振波增多，發(fā)射脈沖變寬，導(dǎo)致分辨力降低，盲區(qū)增大。

e. 機(jī)械品質(zhì)因子 θ_m

 壓電晶片在諧振時(shí)儲存的機(jī)械能E與一個(gè)周期內(nèi)損耗的能量E損之比稱為機(jī)械品質(zhì)因子θm.

 壓電晶片振動損耗的能量主要是內(nèi)摩擦引起的。θ_m值對分辨率有較大的影響：θ_m值越大，表示損耗越小，晶片持續(xù)震動時(shí)間長，脈沖寬度大，分辨率低。反之，θ_m值越小，表示損耗越大，脈沖寬度小，分辨率就高。

f. 頻率常數(shù)N_i

 由駐波理論可知，壓電晶片在高頻電脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生共振的條件是

 這意味著壓電晶片厚度與固有頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，稱為頻率常數(shù)，用N_i表示。厚度一定，頻率常數(shù)大的晶片材料，其固有頻率高。晶片材料一定，頻率越高，厚度越小。

g. 居里溫度T_c

 與磁性材料一樣，壓電材料的壓電效應(yīng)與溫度有關(guān)。它只能在一定的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生，超過這個(gè)溫度范圍，壓電效應(yīng)就消失了。壓電材料的壓電效應(yīng)消失的溫度稱為壓電材料的居里溫度，用T_c表示。例如，石英T_c=570℃,鐵酸鋇T_c=115℃.常見壓電材料性能參數(shù)見表3.1。

6. 壓電晶體的選用原則

 對于壓電超聲換能器采用的壓電晶片，其選用原則可參考如下：

  a. 性能指標(biāo)適當(dāng)，以滿足具體使用要求為度量，不宜過分追求各項(xiàng)性能的高指標(biāo)；

  b. 工作性能要穩(wěn)定、可靠；

  c. 價(jià)格低廉，加工方便。

超聲波換能器對晶片的要求如下：

  a. 機(jī)電耦合系數(shù)K較大，以便獲得較高的轉(zhuǎn)換效率；

  b. 機(jī)械品質(zhì)因子θ_m較大，以便獲得較高的轉(zhuǎn)換效率；

  c. 壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₃和壓電電壓常數(shù)g₃₃較大，以便獲得較高的發(fā)射和接收靈敏度；

  d. 頻率常數(shù)N_i較大，介電常數(shù)ε較小，以便獲得較高的頻率；

  f. 居里溫度T_c較高，聲阻抗 Z 適當(dāng)。