超声波水位传感器设计论文(12)

中，必须使用垂直振动模式的压电陶瓷。压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就显

得十分重要，它的声阻抗为2.6×107 kgm2s,而空气的声阻抗为4.3×102

kgm2s。5 个幂的差异会导致在压电陶瓷震动辐射表面上的大量损失。负载压

电陶瓷，它可以使超声波探头在高达数百千赫兹频率的情况下，仍能够正常工

作。

如图 2.1 所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动

器是由谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电芯片构成。谐

振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射，并且可以使超声波聚集在振动器的中央

部位[16]。

图2.1 超声波探头结构

2.2.1 T/R40-16 超声波探头

超声波探头选用 40kHz 的 T/R40-16 型压电陶瓷传感器，如图 2.2 所示。

当T/R40-16 超声波探头在输入频率为 40kHz 时，各种特性呈现最佳状态。因

此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的频率为 40kHz。

超声波探头的性能指标：中心频率 40kHz，发射声压大于 115dB，电容

2400pF，允许输入电压 12V。其发射探头频率特性曲线图在中心频率 40kHz

处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在f0=40处所产生的超声声压能

级最高。而在f0两侧，声压能级迅速衰减，因此，超声波发射时要用非常接近

中心频率f0的交流电压来驱动。同样，接收探头器在中心频率f0处输出电信号

的幅度最大，即在f0处探头的灵敏度最高。

2.2

超声波探头标示