本文是一篇机械论文，本课题通过自主搭建超声传感器测试平台，测试了接入超声传感器电路系统的超声传感器回波性能参数，同时对其实用性进行了验证，确认其能够被作为产品使用。
1 绪论
1.1 课题研究背景
1.1.1 超声传感器概述
在科技高速发展的当下，超声波因其具有良好的方向性和穿透能力，受到了研究人员的广泛关注。超声波技术主要用于测速、测距、成像、探伤、消毒杀菌、清洗焊接等方面，在工业、农业和生活中均有广泛应用。
在超声技术中超声传感器的地位极其重要。对于超声传感器研究人员已经进行了大量的研究并提出了不少结构类型和设计方案。从其工作原理来讲，大致可分为磁致伸缩超声传感器和厚度振动压电超声传感器。
磁致伸缩超声传感器是以磁致伸缩效应作为原理制造的。自从焦耳和魏拉里分别在1842年和1865年发现纵向磁致伸缩正效应和反效应以来，各种基于磁致伸缩效应的应用不断涌现[1]。以磁致伸缩效应为基础，采用退火镍、铝铁合金、镍铁合金、铁钴合金、镍钴合金、镍锌铁氧体、镍铜钴氧体、镍锌钴氧体等磁致伸缩材料可以制作磁致伸缩超声传感器。其优点在于机械强度高，性能稳定，水密要求低，能产生很大的辐射功率，但频率较低，涡流和磁滞损耗比较大，电声转换率较低，发热严重，通常需要水冷。因此被应用于除垢、水处理等需要大功率的场景中。
厚度振动压电超声传感器是以材料的纵向压电效应作为原理制作的一类超声传感器。当在适当方向对介质施加作用力时，介质内部的电子会呈现有规律的异向运动，在介质的两极会出现异种电荷，这种效应被称为压电效应。以压电效应为基础，采用钛酸钡、钛酸铅等压电材料可制作压电超声传感器。其优点在于转换效率高，特别是传感器的接收灵敏度高，功率容量大，结构和形状可以根据不同应用进行设计，体积较小，可以达到较高频率。但因为是由压电晶体组成，脆性大，机械强度低，限制了大功率的应用。因此被应用于超声探测等需要高频率的场景中。
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1.2 压电超声传感器研究现状
相对于磁致伸缩超声传感器来说，厚度振动压电超声传感器具有原材料价格低廉、制作工艺简单、压电性能好、机械强度高的优点，所以目前人们应用最广泛的是压电超声传感器。
压电超声波器件应用的关键核心部件为压电元件，它是利用压电元件的压电超声波特性制造出来的发射和接收超声波的器件。早期的压电超声传感器功能单一，结构简单，在一定程度上限制了其应用。随着技术的进步，研究人员发现拓展超声传感器带宽可有效提高其性能。在实际应用过程中，传感器发射的频率和接收的中心频率有可能存在偏差，而拓展宽带就能保证两者处在一个有效范围之内，从而保证接收到的信号强度具有较小的偏差。宽带超声传感器就是在超声传感器的基础上，通过增加匹配层、背衬层，选用低Q值的压电材料等方法增加超声传感器的带宽。
由于原始的压电传感器压电陶瓷与介质之间的声阻抗差异过大，使得传感器带宽过低，研究人员开始转向研究宽带超声传感器。宽带压电超声传感器主要包含声学匹配层、压电元件和背衬组成[18]。而压电元件就是传感器的核心部件，它起到了将电信号转化为声信号的作用，压电元件的材质和尺寸都会对传感器的性能产生影响。匹配层主要在压电元件与检测介质之间起过渡作用。在超声传感器的使用中压电元件与检测介质之间声阻抗失配会导致传感器内出现发热、信噪比变低和系统信号失真现象。匹配层是一个缓冲区，可以使声波从压电材料传导到介质时更加平滑，减少声波的反射损耗，从而提高超声传感器的性能[19-20]。
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2 超声传感器理论研究
2.1 超声学的基本概念
超声波是频率20kHz以上的声波，声波由物体通过机械振动产生并能在介质中传播[97]。通过多年以来的研究，研究人员发现超声波频率越高，分辨率越高、方向性越尖锐、衰减性越大，传播距离越短。因此频率较高的超声波更适合用于精细且传播距离较短的环境，而频率较低的超声波更适用于传播距离较远且分辨率要求不高的环境。
2.1.1 超声波的分类
根据介质内质点的振动方向与声波的传播方向，可以把超声波分为横波和纵波：
(1)纵波。如果介质内质点振动的方向与声波传播的方向一致，则为纵波，通常记为Z。纵波是介质粒子受到拉压应力时，介质粒子之间发生变形而形成的。由于固体介质可以承受拉伸和压缩应力，气体和液体介质可以产生体积变化。因此，纵波可以穿过固体，也可以穿过液体和气体。
(2)横波。如果介质内质点沿垂直于声波传播方向振动，则为横波，通常记为S或r。横波与纵波最大的差别在由于横波只能在固体介质中传播，这是因为固体是非流体，可以承受剪切应力，而液体、气体不能。
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2.2 声学匹配层的理论研究
当超声波射向两个不同媒质交界面时，会发生透射，但还有一部分声波会被反射，匹配层的作用就是在两种媒质之间增加一个过渡层，从而增加声波的透射，减少声波的反射。
在特殊情况下超声波垂直射向两种媒质交界面时，透射波与入射波的方向相同，与反射波的方向相反 [98]。
本文为了便于表述，将入射波的声压、反射波声压、透射波的声压分别设为P0、Pr、Pt表示，将入射波、反射波和透射波的声强分别设为I0、Ir、It。
（1）当Z2=Z1时，即没有界面的情况时，有r=0；t=1；R=0；T=1。即声波在界面处发生了全透射现象透射，不发生任何反射，该情况一般只发生在媒质内部。
（2）当Z2>Z1时，即声波由声阻抗小的媒质向声阻抗大的媒质传播的情况时，有r>0；t>0。极限情况下，当Z2>>Z1，r≈1；t≈2；R≈0；T≈1。超声波在经过这两种媒质的接触界面时，会出现入射波与反射波的声压相位相同的情况，此时入射波和反射波会叠加形成驻波。该情况常见于声波从空气这种低声阻抗介质射入水这种高声阻抗介质中。
（3）当Z2<Z1时，即声波由声阻抗大的媒质向声阻抗小的媒质传播的情况时，有r<0；t>0。极限情况下，当Z2<<Z1，r≈-1；t≈0；R≈0；T≈1。超声波在经过这两种媒质的接触界面时，会出现入射波与反射波的声压相位差为π的情况，在这种情况下入射波和反射波任然可以叠加形成驻波。该情况常见于声波从水这种高声阻抗介质射入空气这种低声阻抗介质中。
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3 超声传感器的制备及数据分析 ............................ 19
3.1 声匹配层样品的制备及工艺 ....................... 19
3.1.1 声匹配层制备工艺的研究 ................................ 19
3.1.2 声匹配层制备 .......................... 20
4 超声传感器的电路设计与性能测试 ....................... 36
4.1 超声传感器电路的设计.................................... 36
4.2 超声传感器性能测试 .................................. 36
结论与展望 ................................. 40
4 超声传感器的电路设计与性能测试
4.1 超声传感器电路的设计
Altium Designer 是由软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，该软件将原理图设计、拓扑逻辑自动布线、PCB绘制编辑、电路仿真、信号完整性分析和设计输出等技术完美的融合成完整的电路设计解决方案，使工程师设计电路更加便利，极大的提高了电路设计的效率和质量。
本文所制作的超声传感器信号控制电路便是使用Altium Designer绘制完成的，主要包括：超声波发射电路，超生波接收信号处理电路，信号放大电路，信号处理电路，信号放大电路，模拟量输出电路，供电电路。由于该超声传感器的研发是与企业共同开发的产品，部分内容属于保密信息，大部分电路无法公开，本文只对超声波信号处理电路进行展示，如图4.1所示。
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结论与展望
本文主要研究了超声传感器及其匹配层的制备及其声学特性，选用不同型号不同质量分数的空心玻璃微球填料制备匹配层样品，然后采用阻抗分析仪测试超声传感器贴上匹配层后的阻抗曲线，并利用其自带的分析软件计算得到了超声传感器的等效电路参数。同时通过大量实验观察匹配层的厚度及填料浓度对超声传感器探头阻抗特性的影响。并通过观测出的参数差异性对匹配层进行筛选。本课题通过自主搭建超声传感器测试平台，测试了接入超声传感器电路系统的超声传感器回波性能参数，同时对其实用性进行了验证，确认其能够被作为产品使用。本课题所获得的结论如下：
（1）本文使用浇铸法对匹配层进行制作，通过阻抗分析仪对压电陶瓷粘贴匹配层前后的阻抗特性曲线进行了测试，其变化和结果是：再粘贴的匹配层后压电陶瓷的阻抗特性曲线的谐振频率和反谐振频率之间会多出一组新的谐振频率和反谐振频率。接着又对贴上不同厚度匹配成的压电陶瓷进行的测试，得到不同厚度下的传感器阻抗特性曲线；同时又对按梯度厚度贴上的不同填料浓度制成的匹配层的压电陶瓷进行的测试，得到了不同填料浓度下匹配层厚度对压电陶瓷谐振频率和反谐振频率的影响曲线。结果表明，阻抗测试曲线中正反谐振频率差值在60khz时，匹配层具有良好的声学适配性，此方法可以用于匹配层的初步筛选，最优性能的匹配层浓度和厚度需要结合器件性能进行综合评判。
（2）本文对部分超声传感器电路进行了设计，通过搭建超声传感器性能测试平台，将超声传感器探头装入超声传感器测试平台进行测试，得到了超声传感器回波信号图，通过外接的电流表直接读取出金属反射板和超声传感器探头的距离，确认该探头可以使用，且满足企业要求。同时，通过实验发现，不适合的背衬材料会抑制压电陶瓷的振动。
参考文献（略）