超声波换能器匹配检测优化方案

除探头背衬与电路匹配外，增加探头有效带宽的另一重要手段就是在探头与被测介质之间增加匹配层。匹配层可以看作探头与被测介质之间的介质层，从物理学方面考虑，可认为是串联传输，按照阻抗匹配的串联传输方程为

式中　Zin——输入阻抗；

Zl——匹配层特性阻抗；

Zm——被测介质阻抗；

l——匹配层厚度；

λ——匹配层中的波长。

按照三种特殊情况下的传输特性进行分析：

（1）当匹配层厚度非常小或为薄膜，即l≪λ时，匹配层所提供的仅是保护作用而没有任何的阻抗匹配功能。

（2）当匹配层厚度为半波长，即l=λ/2时，匹配层所提供的是为压电晶片增加了一个共振层，不能改变相位关系，除了内部和表面的反射损耗外，没有任何作用。

（3）当匹配层厚度为1/4波长，即l=λ/4时，从式（5.7）可以发现，此时余弦项为零，正弦项为1，则Zin=Zl2/Zm。因此若取，此时阻抗匹配可以达到最佳，如果匹配层厚度取1/4波长的奇数倍，可以达到同样的效果。

对多层匹配，同样可以按照传输方程处理，因此不同匹配层的厚度仍然以1/4波长的奇数倍为最佳。(www.xing528.com)

本研究中，按照上述理论分析，利用中心频率为20 MHz的铌酸锂压电晶片设计制作了超声波直探头，并采用LabVIEW软件编写了超声波直探头频谱分析程序，分别如图5.9～图5.11所示。

图5.9　铌酸锂压电晶片超声波换能器

图5.10　超声波信号

图5.11　超声频谱

从图5.11看出，本研究中自主开发研究的超声波换能器中心频率约为18.5 MHz，-6 dB带宽约为5.5 MHz，相对带宽为30%。

图5.12　换能器频谱分析软件

如图5.12所示的超声波换能器性能分析软件中，可直接采集超声回波信号，任意添加窗函数做FFT变换，得到较为理想的探头频谱信号，并自动给出探头脉冲信号宽度、-3 dB与-6 dB频带宽度、-3 dB与-6 dB中心频率、-3 dB与-6 dB相对频带宽度以及探头的灵敏度。如果需要还可以将所有的信号和频谱信息以及计算出的探头参数输出至Excel文档打印或保存。