换能器(将一种能量形式转变为另一种能量形式的器件)

换能器

换能器（英文名：transducer，别名：传感器）是将一种能量形式转变为另一种能量形式的器件或装置。

当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的换能器就是接收换能器。当交变电信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。这时的换能器就是发射换能器。换能器种类很多，分类方法也很多，根据输入的生物信号种类可分为张力换能器、压力换能器、速度换能器、温度换能器和气敏换能器等。根据工作原理的不同可分为电感式、电容式、电阻式、电势式等换能器。其中压电式换能器主要由压电元件、阻尼块、探头架等零件构成。

不同换能器对性能参数的要求不同。如压电超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率等。发射型压电超声换能器，要求有大的输出功率和高的能量转换效率等。换能器常应用于智能制造、工业加工等领域，在可穿戴、小尺寸医学影像等设备中有着广泛应用前景。

工作原理

将声能转换成电能的是接收换能器，将电能转换成声能的称为发射换能器。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的换能器就是接收换能器。当交变电信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，压电陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。这时的换能器就是发射换能器。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波。

基本构造

不同种类的换能器，基本构造也略有区别，以压电式换能器为例，其由于结构不同，可分为直探头式，斜探头式，双探头式等多种。

直探头式换能器也称直探头或平探头，它可以发射和接收声波。直探头主要由压电元件、阻尼块（吸收快)及保护膜组成。

斜式换能器也称斜探头，可发射与接收横波。它主要由压电片8、阻尼块7和斜楔块组成。压电片产生纵波，经斜楔块倾斜人射到被测工件中，转换为横波。如斜楔块为有机玻璃，而斜探头的角度（即入射角）为280°~610°时，在钢中可产生横波。当把直探头在液体中倾斜人射工件时，也能产生横波。当入射角增大到某一角度，使在工件中横波的折射角为90°时，在工件中可产生表面波，从而形成表面波探头。因此，表面波探头是斜探头的一个特例。

组合式换能器又称双探头或组合探头。它是把2块压电片装在1个探头架内，其中一块压电片发射，另一块压电片接收。

分类

换能器种类很多，分类方法也很多。根据输入的生物信号种类可分为张力换能器、压力换能器、速度换能器、温度换能器和气敏换能器等；根据工作原理的不同可分为电感式、电容式、电阻式、电势式等换能器；根据输出信号可分为模拟式和数字式换能器；根据能量转换原理可分为有源式和无源式换能器。在机能学实验中常用的换能器有张力换能器、压力换能器和呼吸换能器等。

张力换能器

张力换能器是将各种肌肉收缩时张力变化的信息转换为电信号，经放大后再输入到记录仪以显示出来的装置。其工作原理是利用某些导体或半导体材料在外力作用发生变形时，其电阻会发生改变的“应变效应”，将这些材料做成薄的应变电阻片，用这种应变电阻片制成两组应变元件(R1，R2及R3，R2)分贴于悬梁臂的两侧，作为桥式电路的两对电阻，两组应变电阻片中间连接一可调零电位器并与一3V直流电源相接。当外力作用于悬梁臂的游离端并使其发生轻度弯曲时，应变电阻片受到压缩或拉伸，其阻值便发生改变导致电桥失衡，即有微弱电流输出，经放大后再输入到记录仪显示。测量血压、呼吸的换能器，工作原理与张力换能器也基本相同。

压力换能器

压力换能器是将机体内各种压力如动脉血压、中心静脉压、心室内压等变化的信息转换为电信号，经放大后再输入到记录仪以测量、显示和记录的装置。压力换能器的工作原理与张力换能器基本相同。压力换能器的头端是一个半球形结构，使用前需将其内部充满肝素生理盐水。内面后部为一薄片状的应变元件，组成桥式电路。其前端有两个侧管，一个用于排出里面的气体，另一个通过导管与测量压力的探头相连。

呼吸换能器

呼吸换能器用于测量动物的呼吸波、呼吸流量。目前常用的呼吸换能器有直插式和胸带式两种，二者都是利用费斯通电桥原理来实现能量转换的。胸带式呼吸换能器是将胸带直接捆在动物胸部，当动物胸廓随着呼吸运动而运动时，应变电阻片受到牵拉，阻值改变，电桥失衡，换能器将该信号转换成电信号输出。直插式呼吸换能器前段有一锥状通气口，可与动物的气管插管相连，随着呼吸气流的冲击，应变电阻片阻值发生改变，电桥失衡，产生电流，换能器将电信号输出。直插式呼吸换能器具有精度高、准确可靠、使用方便等特点，在机能学实验中使用更为广泛。

超声换能器

超声换能器作为超声波技术的核心部件，其工作原理对于整个超声波技术的应用具有重要意义。超声换能器的基本功能即实现电能与机械能之间的转换。具体而言，超声换能器可以将电信号转换为机械振动，从而产生超声波；同时，它也能将接收到的超声波信号转换为电信号，以供后续处理和分析，这一转换过程是通过超声换能器内部的压电效应实现的。

超声波换能器的分类方式多种多样，常见的包括以下方面。

第一，按照换能器的工作介质，可分为液体介质换能器、固体介质换能器以及气体介质超声换能器等。第二，按照能量转换的机理和所用的换能材料，可分为电磁声换能器、静电换能器、机械型超声换能器、磁致伸缩换能器、压电换能器等。

第三，按照换能器的工作状态，可分为接收型超声换能器、发射型超声换能器和收发两用型超声换能器。

第四，按照换能器的振动模式，可分为剪切振动换能器、扭转振动换能器、纵向振动换能器、弯曲振动换能器等。

第五，按照换能器的输入功率和工作信号，可分为检测超声换能器、脉冲信号换能器、功率超声换能器、连续波信号换能器、调制信号换能器等。

第六，按照换能器的形状，可分为圆柱形换能器、棒状换能器、圆盘形换能器、环形换能器、喇叭形换能器、菊花形换能器、复合型超声换能器及球形换能器等。

第七，按照声束特性分，可分为聚焦换能器和非聚焦换能器。聚焦换能器又分为一维聚焦和二维聚焦；每类聚焦换能器又可以是电子聚焦或者声学聚焦。

第八，按照振子单元数，可分为单元换能器、多元换能器。多元换能器又分为线阵、相控阵、方阵、凸阵等。

性能参数

不同换能器对性能参数的要求不同。如压电超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、频率特性、阻抗特性、指向性和接收灵敏度等。发射型压电超声换能器，要求有大的输出功率和高的能量转换效率等；而接收型超声换能器要求有宽的带宽和高的灵敏度等。

频率

一般情况下，换能器频率越高，则分辨率越高，穿透深度越低。因此对于较厚的样品需要较低频率的探头来维持较好的穿透厚度，对于高衰减的材料如塑料等要求较低的频率，对于低衰减的材料如硅材等能使用较高频率来扫描检测。

功率

换能器功率通常指的是声呐探头中的发射换能器所能输出的电能或声能大小，使用单位为瓦特（Watt）。换能器功率的大小与声呐设备的探测距离、信噪比、灵敏度等性能指标有关。而发射声源级则是指声呐发射器在水下环境中实际产生的声音压力级大小，通常使用单位为分贝（dB）。声源级的大小决定了声呐系统可达到的最大探测距离以及对目标的探测精度。

换能器功率P和发射声源级SL之间的关系可以通过以下公式计算得到：

SL=10xlg(P/P0)+ DI

公式中：P0为参考功率，通常取值为1uW；DI为发射器到接收器的距离损失因子。该公式表明，发射声源级随着换能器功率的增加而增加，但同时也会受到距离损失因素的影响而减小。因此在设计声呐系统时需要根据实际需求选择合适的发射功率和接收距离，以达到最佳的声呐性能。

接收灵敏度

换能器接收灵敏度与其特定的物理结构和材料有关，根据不同的设计和工艺选择，其数值可能会有差异。一般而言，接收灵敏度越高的换能器，可以捕获到更微弱的回波信号，从而提高声呐系统的探测距离和分辨率。需要注意的是，换能器接收灵敏度只描述了接收器的输出电压大小，而无法说明整个声呐系统的实际探测性能。

换能器和电源内阻间的阻抗匹配影响着换能器的灵敏度。由于待探测物体的声阻抗与换能器材料的声阻抗严重失配，这就造成了灵敏度较低。一般需要采用声匹配和电路匹配方法，提高换能器的灵敏度。换能器的灵敏度越高，使用同样激励，在相同的噪声背景下，信噪比越高。

标准规范

2017年5月，中国工业和信息化部（电子）发布《声系统设备电声换能器大信号参数的测量》的标准规范，该标准采用了ISO、IEC等国际国外组织的标准，于2017年12月1日正式实施。

2020年6月，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布《无损检测电磁声换能器（EMATs）指南》，标准号为GB/T 38895-2020，于2021年1月1日正式实施。该标准规定了超声检测用电磁声换能器性能测试与检验的一般要求、由制造者提供的技术指标、测试器具、性能要求和测试报告。该标准适用于电磁声体波（横波、纵波）换能器。

应用领域

换能器常应用于智能制造、工业加工等领域，在可穿戴、小尺寸医学影像等设备中有着广泛应用前景，

生物医学

生物医学中使用的换能器是将机体内非电形式的各种生物信号，如体温、张力、血压、血流量、呼吸流量、脉搏、渗透压、血气含量等先转变为电信号，再输入电子测量仪进行测量、记录和显示，以便对其所反映的生理或病理变化做深入的分析研究。

工业加工

截至2025年11月上海市晨凤实业53项专利覆盖超声波换能器、伺服控制、自动化集成等核心领域。超声波食品切割的核心性能，取决于切割刀与换能器的匹配度。晨凤实业针对食品加工特性，对这两大核心部件进行了专项升级：换能器与食品特性的精准匹配：公司自主研发的30KHZ、35KHZ换能器，经过食品场景专项调校。35KHZ换能器振动幅度小而密集，适合慕斯、奶油蛋糕等极致软质食品，切割时几乎无压力，避免蛋糕塌陷；30KHZ换能器振动强度适中，适配瑞士卷、年轮蛋糕等略带韧性的食品，在保证切割速度的同时，保护层叠结构不松散。换能器采用密封式防水设计，可耐受食品加工车间的潮湿环境，延长使用寿命。