毫瓦级标准压电超声换能器的研制与性能测试

摘要

在超声诊断和治疗中，由于超声功率过大可能引起人体细胞破坏性形变的空化效应，超声诊断安全性逐渐成为医用超声的重要问题。在我国，计量部门主要采用毫瓦级或者瓦级超声功率计来检测各种医用超声设备的输出功率，而超声功率计则需要通过上一级计量部门进行定期检定或校准，可见，超声量值传递的准确性为超声技术使用的可靠性提供了保障。
　　本文从压电超声换能器的工作原理出发，理论上分析了铌酸锂单晶材料的压电机理，压电振子的振动模式和压电方程，并由压电方程推导出压电换能器在厚度伸缩振动模式下的机电等效电路;在压电材料的选择方面，研究了铌酸锂单晶不同切割方向的振动特性和机电耦合系数，确定压电晶片的最佳切型及振动模式;在压电振子的设计方面，合理设计振子厚度与直径的尺寸比例，并用溅射法在压电振子表面镀上金层电极薄膜;在换能器的制作方面，从换能器整体装配和电极焊接角度出发，设计了超声换能器的外壳，有效地降低了装配难度。本文严格遵循“毫瓦级超声功率计检定规程”的要求，研制了标称频率为5MHz的标准超声换能器。
　　铌酸锂压电超声换能器的性能测试主要包括两部分，分别为声场特性测试和超声输出功率的标定。声场特性测试原理为水听器法，本文设计了确定换能器工作频率的实验，并测试了其在工作频率下的声场空间分布特性。按照毫瓦级标准超声源的标定要求，在毫瓦级国家基准装置上，采用辐射力天平法测量所研制的超声换能器的输出功率，并对实验结果进行了不确定度评定。实验结果表明，所研制的换能器满足“毫瓦级标准超声源”的要求，达到了预期设计指标，一定程度上克服了标准石英晶体超声换能器的缺点。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 超声换能器综述

1．2．1 超声换能器的分类

1．2．2 超声换能器的性能评价方法

1．3 压电超声换能器发展现状

1．4 标准超声换能器国内外研究现状

1．5 本文研究内容

2 标准压电超声换能器的设计原理及应用

2．1 铌酸锂单晶的压电效应

2．2 压电方程

2．3 厚度伸缩振动模式的机电等效模型

2．4 超声换能器的谐振和导纳特性

2．5 标准超声换能器在毫瓦级超声功率计检定中的应用

2．6 本章小结

3 超声换能器的设计及研制

3．1 铌酸锂单晶最佳切型的选择

3．2 压电振子外观尺寸设计要求

3．3 超声换能器外观尺寸设计

3．4 压电振子电极的设计

3．4．1 电极材料的选择

3．4．2 电极尺寸的设计及要求

3．4．3 电极制备工艺的选择

3．5 换能器的研制工艺

3．5．1 材料准备

3．5．2 压电晶片电极焊接

3．5．3 换能器装配流程

3．6 影响换能器性能的因素分析

3．7 本章小结

4 超声换能器声场特性研究实验

4．1 测量原理——水听器法

4．2 主要声场参数及计算方法

4．3 实验设计

4．3．1 实验装置简介

4．3．2 三维精密自动扫描技术

4．3．3 实验方法

4．4 声场测量实验

4．4．1 实验准备

4．4．2 工作频率测试实验

4．4．3 三维声场分布测试实验

4．5 本章小结

5 超声换能器输出功率标定实验

5．1 毫瓦级超声功率基准装置简介

5．2 超声功率测量方法——辐射力天平法

5．3 实验条件和测试方法

5．3．1 实验过程

5．3．2 为减小测量误差所采取的措施

5．4 实验数据与不确定度分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

个人简介

致谢