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基于传输线理论的压电换能器电阻抗匹配研究

作　者: 李万崇
导　师: 张锐
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 复合压电材料 压电换能器 电学匹配 传输线变压器
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


当今功能材料的应用越来越广泛，其研究非常活跃，而压电材料作为其中的一种，也备受研究者关注。压电材料在工业、农业、医学等领域应用广泛，近年来特别在超声压电换能器领域研究较多，目前在高性能压电材料的应用方面还有不足，关于压电换能器的匹配研究，科研工作者多数从机械匹配也就是声学匹配方面入手，但是在电学匹配方面特别是高频领域的研究还有待突破。为更好的解决电学匹配问题，我们设计并制备了中心频率在1.3MHz的高性能1-3型复合材料的原型超声波器件。利用1-3复合压电材料作为压电振子，由换能器的设计原则，结合本文制备的压电原型器件的性质，研制出了在-6dB的带宽为32.9%的压电超声换能器，我们首先在声学匹配方面做了一些工作，为提高换能器的性能，利用环氧树脂混合氧化铝粉制备出厚度在0.53mm的匹配层，使灵敏度比声学匹配前提高了3.41dB，在-6dB的带宽提高到了45.6%。本文重点研究了电学匹配的理论和方法，首次利用传输线变压器进行了准确的阻抗匹配研究，研究了传输线变压器参数的精确选择方法和具体的工艺做法，并且利用换能器的自发自收模式对电学匹配条件下的1-3型压电超声换能器性能进行了测量，结果显示换能器的灵敏度提高了11.1dB，在-6dB的带宽由匹配前的32.9%，提高到了匹配后的38.2%。这表明利用传输线变压器进行电学匹配，非常有助于提高换能器的灵敏度，对带宽的提高也有一定的作用，最后我们综合测试了声学和电学匹配后的结果，与换能器无任何匹配时对比，换能器的灵敏度提高了14.2dB，在-6dB的带宽由匹配前的32.9%，提高到了匹配后的53.8%。本文的研究，为提高换能器的匹配性能特别是制作高频换能器提供了精确具体的电学匹配方法。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 课题的研究背景  9-11
  1.2 国内外研究的现状及分析  11-12
    1.2.1 国外现状及分析  11
    1.2.2 国内现状及分析  11-12
    1.2.3 国内外相关论文综述的简要分析  12
  1.3 本文研究的主要内容和意义  12-14
第2章 厚度振动模式压电材料的等效电路  14-24
  2.1 引言  14
  2.2 压电效应的基本原理  14-15
  2.3 压电方程的推导  15-18
  2.4 压电材料的等效电路  18-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章 1-3型压电复合材料制备方法和表征  24-36
  3.1 引言  24-25
  3.2 复合材料的设计  25-29
    3.2.1 压电复合材料连接形式的选择  25-26
    3.2.2 1-3复合压电材料的设计原则、结果  26-29
  3.3 复合材料的制备  29-31
    3.3.1 1-3型复合材料的制备方法  29
    3.3.2 压电陶瓷 PZT5-H的性能材料的介绍  29-30
    3.3.3 材料的切割和聚合物的填充  30
    3.3.4 电极的制作  30-31
  3.4 复合材料的主要相关性能表征  31-35
    3.4.1 密度的测量  31
    3.4.2 声速和压电性能的测试  31-34
    3.4.3 其他主要参数测量  34-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章 1-3型复合压电超声换能器研制  36-49
  4.1 引言  36
  4.2 4.2 压电换能器的基本设计原则  36-37
  4.3 压电换能器的支撑材料  37
  4.4 压电换能器的制作  37-45
    4.4.1 材料以及器材的准备  37-38
    4.4.2 材料声衰减测量方法  38-42
    4.4.3 制作步骤  42-43
    4.4.4 性能测试  43-45
  4.5 压电换能器的机械匹配  45-48
    4.5.1 机械匹配要求  45-47
    4.5.2 机械匹配材料的制备和测试  47
    4.5.3 换能器带宽和灵敏度测量  47-48
  4.6 本章小结  48-49
第5章 超声压电换能器的电学匹配  49-62
  5.1 引言  49
  5.2 压电换能器的调谐匹配  49-50
  5.3 传输线变压器的设计、制作和表征  50-58
    5.3.1 传输线变压器的原理  50-52
    5.3.2 构成的基本单位分析  52-55
    5.3.3 材料的选择原则和准备  55-58
    5.3.4 传输线变压器的相关 S 参数测量及分析  58
  5.4 压电超声换能器的电学阻抗匹配后的性能测试  58-61
  5.5 电学匹配的物理机制  61
  5.6 本章小结  61-62
结论  62-64
参考文献  64-69
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  69-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 超声工程 > 超声换能器
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