Toepassing van piëso-elektriese keramiek wat in ultrasoniese afstandtransducer gebruik word

In die afgelope 20 jaar,piëzo-elektriese kristal koste het vinnig ontwikkel by die huis en in die buiteland. As gevolg van hul voordele van eenvoudige produksie, lae koste en goeie stabiliteit, is hulle wyd gebruik in die velde van elektronika, lig, hitte en akoestiek, en het 'n wye reeks. Ultrasoniese transduktors word gemaak van piëso-elektriese keramiek wat ultrasoniese golwe met goeie rigting kan produseer. Hulle is ideaal vir die meet van parameters soos spoed en afstand, en kan stabiel en betroubaar werk onder die moeilike omgewingstoestande.

Oor die ultrasoniese afstandberekeningstoestel verwys ultrasonies na klankgolwe met 'n frekwensie hoër as 20 kHz, wat 'n meganiese golf is. As gevolg van sy goeie rigting en verdraagsaamheid teenoor die omgewing, word dit in wringkragmetingstegnologie gebruik. Ultrasoniese afstandtoerusting is 'n nie-kontak afstandstegniek. Die metodes sluit hoofsaaklik pulsmetode, fasemetode en frekwensie-omskakelingsmetode in. Ultrasoniese reeks toestel gebruik hoofsaaklik die polsmetode. Die pulsmetode bepaal die afstandwaarde direk deur die tyd te meet waartydens die draerpulssein heen en weer beweeg oor die afstand wat gemeet moet word. Die formule van piëzoplaat-energie-opwekking is D=Vt2D/2, waar D die afstand is wat gemeet moet word; V is die voortplantingspoed van die draer in lug; t2D is die vervoerder heen-en terugreis tyd. Die akkuraatheid van die pulsmetode word beïnvloed deur die akkuraatheid van tydmeting, en die akkuraatheid van tydmeting word beïnvloed deur die ossillasiefrekwensie. As die ultrasoniese golf as die draer gebruik word en die afstandmetingsakkuraatheid is D≤1cm, moet die tydtoetsakkuraatheid t≤5.9×10-5s wees, dit wil sê solank die ossillasiefrekwensie 1.7×104 Hz bereik, is dit baie maklik om te implementeer.

Piëzo-elektriese ultrasoniese transducers word gemaak deur die piëzo-elektriese effek van piëzo-elektriese materiale te gebruik. Die gepolariseerde piëso-elektriese materiaal ondergaan meganiese vervorming onder die werking van 'n toegepaste elektriese veld. Dit word die omgekeerde piëso-elektriese effek genoem. Omgekeerd produseer die meganiese vervorming van die piëso-elektriese materiaal ook 'n spanning, wat die positiewe piëso-elektriese effek genoem word. Deur die omgekeerde piëso-elektriese effek te gebruik, kan die hoëfrekwensiespanning in hoëfrekwensie meganiese vibrasie omgeskakel word om ultrasoniese golwe te genereer; die positiewe piëso-elektriese effek kan ook gebruik word om die ontvang ultrasoniese vibrasie in 'n elektriese sein om te skakel. Dit is hoe die ultrasoniese transducer werk. Piëso-elektriese ultrasoniese transduktors kan gesien word as vier-terminale netwerke met elektriese en meganiese punte.

Die keuse van piëzo-elektriese materiale piëzo-elektriese plate is dat piëzo-elektriese materiale vir die maak van ultrasoniese transduktors piëzo-elektriese enkelkristalle, polikristallyne piëzo-elektriese keramiek, piëzo-elektriese hoë polimere en piëzo-elektriese saamgestelde materiale insluit. Onder hulle het loodsirkonaattitanaat piëso-elektriese keramiek die voordele van hoë meganiese sterkte, temperatuur- en humiditeitsweerstand, lae koste en goeie elektromeganiese koppelingseffek, en is wyd gebruik in ultrasoniese transduktors. Die ultrasoniese transducer in die ultrasoniese afstandmeter gebruik die loodsirkonaattitanaat piëso-elektriese keramiek as die vibratormateriaal.

As twee verleng piëzo-elektriese skyf piëzo-elektriese kristal van dieselfde dikte en gepolariseerde saamgebind word, kan buigvibrasie gegenereer word wanneer 'n opwindende elektriese veld toegepas word om te veroorsaak dat dit verleng word en die ander verkort word. Die twee piëzo-keramiekplate wat gebind is, is in die teenoorgestelde rigtings gepolariseer, en word in serie aan die kragtoevoer gekoppel; die parallelle verbindingsmodusse van die twee piëzo-keramiekplate met dieselfde polarisasierigting word getoon. In twee piëzo-keramiek-kleefvelle maak die elektriese veld net een van hulle opgewonde om buigvibrasie te produseer. Net so kan die binding van twee piëzo-elektriese keramiekplate aan 'n dun metaalplaat, of die binding van 'n keramiekplaat aan 'n dun metaalplaat, ook 'n buigende vibrasiedikte produseer. Die resonansiefrekwensie fr van die buigvibrasiemodus en die lengte van die plaat .Die verhouding tussen die totale dikte t en die kleefvel is fr = Nlttl2, waar Nlt 'n frekwensiekonstante is. Die dikte buig vibrasie modus is van toepassing op 'n frekwensie reeks van 500 Hz tot 100 kHz. Die grootte van so 'n vibrator is gewoonlik die breedte van die keramiekplaat ,l = (6 ~ 10) ww ≥ 3.5t. Die dikteskuifvibrasiemodus word gekenmerk deurdat die elektrode-oppervlak parallel aan die polarisasierigting is, en die piëzo-keramiekplaat aan skuifvibrasie in die dikterigting onder die werking van 'n afwisselende elektriese veld onderwerp word. Die dikte-skuifmodus is relatief maklik om opgewonde te word, en word hoofsaaklik gebruik in die hoëfrekwensiereeks van 10 tot 60 kHz, wat nie in detail beskryf sal word nie. In die ultrasoniese afstandmeter gee die piëzo-elektriese transducer ultrasoniese golwe uit, en die amplitude van die vibratorvibrasie is groot, dus is die buigvibrasiemodus verkieslik. Terselfdertyd, omdat die akoestiese impedansie van lug uiters laag is, is dit onmoontlik vir 'n algemene piëso-elektriese materiaal om impedansie-passing daarmee te bereik, en daarom moet dit deur middel van 'n oorgangslaag gerealiseer word. Daar word gevind dat die piëzo-elektriese keramiekstuk aan die dun metaalstuk gebind is, en die piëzo-elektriese transducer ultraklank word gebruik as die opwekkingsbron om 'n buigvibrasiemodus te genereer, wat 'n groot amplitude en 'n klein akoestiese impedansie het, en akoestiese impedansie-passing met lug kan bereik. . Hierdie artikel is in die vorm van 'n gebonde struktuur van piëzo-keramiekplate en dun metaalplate.

 Die dun metaalplate kan ook as 'n beskermende film dien om die piëzo-elektriese keramiek en elektrodes teen slytasie en skade te beskerm. Die materiaal kan gekies word uit 'n hoë-stabiliteit nikkel chroom titanium legering. Aangesien die dunner metaal hoe hoër is, is die klankdruk resiprokerende transmissie, die metaalstuk is ontwerp om dun te wees, oor die algemeen ongeveer 0.1 mm. Die vorm en grootte van die vibrator in die ultrasoniese afstandmeter vereis dat die oorgedra ultrasoniese veld waaiervormig moet wees, met inagneming van die gebruik van 'n reghoekige vibrator as die golfbron. 'n Reghoekige golfbron van lengte L en breedte W word vir suiervibrasie gebruik, en die longitudinale golfklankveld wat in die gasmedium uitgestraal word, is soortgelyk aan die skyfbron. Die hoofstraal van die straling is 'n vierhoekige piramide, is 'n perspektief van die rigtinggewende hooflob van die reghoekige golfbron. Die ultrasoniese afstandmeter straal 'n 36 kHz ultrasoniese golf uit vir enkelfrekwensiebereik, dit wil sê die resonante frekwensie van die piëso-elektriese keramiek ossillator is 36 kHz. Hierdie frekwensie voldoen nie net aan die vereistes van die stelsel vir opsporingsreeks, akkuraatheid en sensitiwiteit nie, maar maak ook dat die oorgedra ultrasoniese golwe 'n hoër doeltreffendheid in lugvoortplanting het. Deur die formuleberekening en eksperimentele regstelling word die grootte van die piëzo-elektriese keramiek reghoekige vibrator bepaal as: L=26.5mm, W=11.2mm, die piëzo-elektriese omskakelaar is ontwerp as 'n noue struktuur van fundamentele frekwensie-resonansie, en die dop is gemaak van ingenieursplastiek. Dit kan metaal- en keramiekkleefvelle vasmaak en beskerm. Die twee elektrodepennetjies is onderskeidelik aan die elektrode van die metaal en die keramiekstuk verbind deur die looddrade, en die verbindingswyse kan deur soldeersel of laetemperatuur geleidende gom gesoldeer word.