[发明专利]基于压电陶瓷的超声波发生器

说明书

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其是基于压电陶瓷超声波换能器的超声波发生器。

背景技术

在对果蔬等农产品进行超声无损检测时，由于果蔬内部存在气隙以及内部肉质具有颗粒特性，致使传统超声波的穿透性能下降明显，几乎无法穿透果肉。为了使超声波能有效穿透果蔬肉质，需要产生低频、高能超声波。但产生低频超声的换能器压电陶瓷直径一般较大，很难实现与水果曲面的充分耦合，声能损失严重。为此，国内外学者进行了专用超声换能器的广泛研究。如，Ki-Bok和Sangdae Leet等人使用100KHz、直径40mm、凹形面聚焦换能器实现了对苹果硬度的测量（Ki-Bok Kim,Sangdae Lee,Man-Soo Kim et al.Determination of apple firmness by nondestructive ultrasonic measurement[J].Postharvest Biology and Technology,2009,52:44-48）。这种凹形的接触面不仅可以与苹果很好的契合，还能起到聚焦声能量的作用。另外，Amos Mizrach等人采用特殊的聚焦换能器的方式，换能器制成圆锥状，虽然换能器的发声部分（即圆锥底面）半径为35mm，但是在尖端与被测物样的接触面积只有0.2mm*3mm（A.Bechar,A.Mizrach,Determination of Mealiness in Apples using Ultrasonic Measurements[J].Biosystems Engineering,2005,91(3):329–334）。他们的这种换能器通过单脉冲超声穿透实验成功测得了西红柿、鳄梨、黄瓜等的声反射损耗、传播速度和衰减系数。还有V.G.Shevaldykin和A.A.Samokrutov等人利用压电晶体的径向振动机理，研制出150K-200KHz的DPC(transducer with dry point contact)换能器，换能器内部晶体为竖直排列（V.G.Shevaldykin,A.A.Samokrutov and V.N.Kozlov,Ultrasonic Low-Frequency Transducers with Dry Dot Contact and Their Applications for Evaluation of Concrete Structures [J].IEEE Ultrasonic Symposium,2002:793-798）。DPC换能器与被测物为点接触，但是激发的声波为表面波，表面波的质点振动局限于固体表面下1～2倍的波长范围内，且随深度增加很快衰减，所以对被测物样更深的内部情况的检测有一定的局限性。

上述的换能器中以聚焦换能器的优点最多，但是它的工作核心部件压电晶片的直径依然比较大，并且在设计、加工制作上与一般直探头相比要复杂的多，难度与成本也较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超声检测果蔬等农产品内部损失的换能器的超声波发生器，该超声波发生器采用PZT-4圆柱形厚片的压电陶瓷，既能产生低频高能超声波，又具有径向尺寸小的特点，便于与果蔬表面贴合，检测效果好。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于压电陶瓷的超声波发生器，包括压电换能器和激励电路，压电换能器中的压电陶瓷的几何结构为圆柱形，厚度H与直径D比值为H/D>0.1，压电陶瓷的极化方向为沿厚度方向。

一个优选的方案是，压电陶瓷采用PZT-4型锆钛酸铅。

另一个优选的方案是，激励电路包括：直流高压模块，将输入的数字信号转换为模拟低压直流电电压信号，模拟低压直流电电压信号经PWM脉宽调制变成交流，再经高频升压到预定电压值，最后通过整流和滤波后获得高压直流电，输出至高压方波脉冲模块发射电压端；高压方波脉冲模块，将直流高压模块输出的高压直流电信号转换成高压方波脉冲激励信号，输出至压电换能器；控制模块，用于设定直流高压模块的输入和输出电压，控制高压方波脉冲模块输出的高压方波脉冲激励信号波形。