Parameters van piëso-elektriese materiale en piëso-elektriese vergelykings (3)

(11) Meganiese kwaliteit faktor Qm

Wanneer die PZT-materiaal piezo-keramiek word gebruik vir resonansievibrasie, dit is nodig om die interne meganiese wrywingsverlies (interne verbruik) te oorkom, en wanneer daar 'n las is, is dit nodig om die eksterne lasverlies te oorkom. Die meganiese kwaliteitsfaktor Qmo (geen-las meganiese Q-waarde) hou verband met hierdie meganiese verliese. En Qm (meganiese Q-waarde onder las). Dit word gedefinieer as: Qm = meganiese energie gestoor deur die piëso-elektriese vibrator by resonansie / meganiese energie verlore tydens die resonansieperiode. Dit weerspieël die hoeveelheid energie wat deur die piëso-elektriese liggaam verbruik word om die meganiese verlies te oorkom wanneer dit vibreer. 'n Groter Qm beteken minder meganiese energieverlies. Die bestaan ​​van Qm dui ook aan dat dit onmoontlik is vir enige piëso-elektriese materiaal om al die meganiese insette energie vir uitset te gebruik. By resonansie: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], waar ZC die akoestiese impedansie van die piëso-elektriese vibrator is; Zl is die akoestiese impedansie van die las; Zb is die dempingsblok in die akoestiese impedansie van die piëso-elektriese transduktor. Vir 'n piëso-elektriese omskakelaar is sy Qm en Qe nie konstant nie. Hulle hou verband met die bedryfsfrekwensie, frekwensiebandwydte, vervaardigingsproses, struktuur en stralingsmedium (lading) van die piëso-elektriese omskakelaar. Op die piëso-elektriese transducer wat in ultrasoniese opsporingstegnologie gebruik word, wanneer Qm te hoog is, is dit maklik om die vibrasiegolfvorm wat deur die vibrator gegenereer word, te lank te maak (ringverskynsel), wat tot golfvormvervorming en laer resolusie lei. Net so is Qe nie groter en groter nie. Die keuse en bepaling van Qm en Qe moet volgens die werklike behoeftes besluit word. 'n Groot Q-waarde beteken dat die energieverbruik klein is tydens die piëso-elektriese effek. Dit kan die hoeveelheid hitte wat opgewek word verminder in die geval van hoëkrag- en hoëfrekwensietoepassings of suiwer transmissiekragtoepassings, wat 'n voordeel is. Vir 'n omvormer van opsporingsdoeleindes is 'n groot Q-waarde egter nadelig om die frekwensieband te verbreed, die golfvorm te verbeter en die resolusie te verhoog. Daarbenewens, aangesien die Q-waarde ook verander met die aard van die las (byvoorbeeld die lasmedium waarmee die waterdompelsonde en die kontakmetodesonde verskil), moet die invloed van die lasmedium ook in ag geneem word wanneer die omskakelaar ontwerp word (stralingsimpedansie).

(12) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt K
Dit is 'n belangrike parameter vir die ondersoek van piëso-elektriese materiale vanuit die perspektief van energie. Die definisie daarvan is tydens positiewe piëso-elektriese effek, die eksterne spanning E = 0, en daar is: K2 = elektriese energie gestoor in die piëzo-elektriese liggaam onder die ideale toestande ideaal .Die totale meganiese energie-insette in die piëso-elektriese liggaam onder die toestande, of met ander woorde: K2 = die omgeskakelde meganiese energie wat veroorsaak dat die lading / die inset van die spanning toegepas word tussen die gekoppelde meganiese spanning beweeg, wat volg tussen die gekoppelde meganiese spanning. τ tydens die omgekeerde piëzo-elektriese effek = 0, ja: K2 = meganiese energie gestoor in die piëzo-elektriese liggaam onder ideale toestande / totale elektriese energie-invoer in die piëzo-elektriese liggaam onder ideale toestande of: K2 = omgeskakelde elektriese energie wat meganiese spanning veroorsaak / insette elektriese energie onder druk transistors het elastisiteit en dielektriese tyd saam, die-elektrisiteit en werk saam. Om hierdie rede is dit nodig om hierdie fisiese grootheid in te voer om hierdie eienskappe op 'n verenigde wyse te sien, wat die graad van koppelsterkte tussen meganiese energie en elektriese energie aandui. In 'n fisiese sin beskryf dit slegs omskakeling en dit is nie gelyke doeltreffendheid nie, en die omgeskakelde energie mag nie heeltemal omgeskakel word in uitgestraalde of uitsetenergie nie (insluitend interne verbruik en terugvoer, ens.). Natuurlik kan in 'n sekere sin ook gesê word dat die elektromeganiese koppelingskoëffisiënt K die 'doeltreffendheid' verteenwoordig van die piëso-elektriese liggaam wat elektriese energie in elastiese energie omskakel, of elastiese energie in elektriese energie omskakel. Dit word hoofsaaklik bepaal deur die tipe piëso-elektriese materiaal. Dit hang ook af van die vibrasiemodus van die piëso-elektriese liggaam, maar het niks te doen met die waarde van die resonansiefrekwensie van die omskakelaar nie. Daarbenewens hang die K-waarde ook af van die struktuur van die piëso-elektriese omskakelaar, die bedryfstoestande en die elektrodegrootte en posisie van die piëso-elektriese liggaam. Ons kan die energiedigtheid U (energie in 'n eenheidsvolume) van piëso-elektriese materiale in drie dele verdeel, een is elastiese energiedigtheid, een is elektriese veldenergiedigtheid (diëlektriese energiedigtheid), en een is piëso-elektriese uitruilenergiedigtheid Um (laat termiese en magnetiese energie-items weg).

Die eerste deel hier is die meganiese deel van die materiaal-meganiese elastiese energie, die tweede deel van piëzokeramiese ringkomponente is die elektriese deel-elektriese veldenergie, en die derde deel is die energiedigtheid van die interaksie tussen elastiese energie en diëlektriese energie. Die totale interne energie is: U = Ue + Ud + 2Um. As in ag geneem word dat piëso-elektriese energie uitruilbare energie is, word dit verdubbel. Daarom kan ons die elektromeganiese koppelingskoëffisiënt op 'n ander manier definieer: K = Um / ( UeUd) 1/2. Of: K = Meetkundige gemiddelde waarde van piëso-elektriese energie / elastiese energie en diëlektriese energie. Die rede vir die keuse van die geometriese gemiddelde waarde van elastiese energie en diëlektriese energie is om die ongelyke energieverspreiding van elke klein deel van die piëso-elektriese kristal in ag te neem. Op hierdie manier kan ons sê dat die verhouding van die energie wat piëso-elektries omgeskakel kan word in 'n eenheidsvolume van piëso-elektriese materiaal die elektromeganiese koppelingskoëffisiënt is. Byvoorbeeld, Ud en Ue kan nie piëzo-elektries omgeskakel word nie, Maar dit is nie energieverlies nie. Vir spesifieke materiale, soos kwarts, is die energieverlies klein en die omskakelingsdoeltreffendheid is baie hoog, maar die elektromeganiese koppelingskoëffisiënt daarvan is laer as dié van piëzo-elektriese keramiek, terwyl die omskakelingsdoeltreffendheid van piëzo-elektriese keramiek nie hoog is nie. 'n Groot deel kan piëso-elektries omgeskakel word, wat beteken dat sy elektromeganiese koppelingskoëffisiënt hoog is. Van hier af kan ons die verskil tussen elektromeganiese koppelingskoëffisiënt en doeltreffendheid herken. Die elektromeganiese koppelingskoëffisiënt is 'n verhouding van energie, dimensieloos, en sy maksimum waarde is 1, wanneer K = 0, beteken dit dat geen piëso-elektriese effek plaasvind nie. Die algemene elektromeganiese koppelingskoëffisiënte is soos volg:

(1) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt Kp vir radiale vibrasie (ook bekend as planêre elektromeganiese koppelingskoëffisiënt): Weerspieël die elektromeganiese koppelingseffek van 'n dun skyfvormige piëzo-elektriese kristal wanneer dit aan radiale teleskopiese vibrasie onderwerp word, mits die wafel deursnee ≥ 3 keer die dikte rigting van die wafel is en die dikte rigting van die wafel is. aangewende elektriese veld.

(2) Dwarsvibrasie (dwarslengtevibrasie) elektromeganiese koppelingskoëffisiënt K31 weerspieël die elektromeganiese koppelingseffek wanneer die lang plaatvormige piëso-elektriese kristal met die dikterigting as die polarisasierigting in die lengterigting rek en saamtrek, mits die lengte van die plaat l≥3 keer is. Die breedte en dikte van die vlokkies.

(3) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt K33 van longitudinale vibrasie (lengte-vibrasie): weerspieël die elektromeganiese koppelingseffek van teleskopiese vibrasie langs die lengterigting wanneer die skraal staafvormige piëzo-elektriese kristal in die dikterigting gepolariseer is, en die elektriese veldrigting is dieselfde as die polarisasierigting. Die toestand is 'n staafwydte en dikte of deursnee met 'n lengte l≥3 keer.

(4) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt Kt van diktevibrasie: weerspieël die elektromeganiese koppelingseffek van velvormige piëso-elektriese kristalle wat in die dikterigting gepolariseer is en die elektriese veldrigting is ook in die dikterigting. Die voorwaarde is dat die dikte van die wafer kleiner is as die sylengte of deursnee van die wafer.

(5) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt van dikteskuifvibrasie K15: Dit weerspieël die elektromeganiese koppelingseffek van dikteskuifvibrasie van piëso-elektriese kristal.

Samevattend kan ons tot die gevolgtrekking kom dat die hoofseleksiebeginsels by die keuse van piëzo-elektriese materiale om piëzo-elektriese omskakelaars te maak in praktiese toepassings van ultrasoniese toetsing soos volg is: (1) Hoe groter die waarde van d33--d33, hoe beter is die emissieprestasie. . Natuurlik, wanneer 'n transducer gemaak word, is dit beter om 'n materiaal met 'n d33-waarde so groot as moontlik te kies; (2) Hoe groter die waarde van g33--g33, hoe beter is die ontvangsprestasie. Natuurlik, as jy 'n ontvangstransducer wil maak, moet jy soveel as moontlik 'n materiaal kies met 'n groot waarde van g33; wanneer jy 'n transducer moet maak wat beide transmissie en ontvangs kombineer, as 'n omvattende oorweging, moet jy 'n waarde naby en so groot soos d33 en g33 ook kies. (3) Akoestiese impedansie Z (Z = ρc)-As in ag geneem word dat die reflektansie en transmissie van ultrasoniese golwe verband hou met die verskil in akoestiese impedansie tussen die medium. die kleiner verskil in akoestiese impedansie is die hoër ultrasoniese transmissie. Om soveel as moontlik ultrasoniese golwe van die piëso-elektriese transduktor die toetsmedium te laat binnedring, moet 'n piëso-elektriese materiaal waarvan die akoestiese impedansie so na as moontlik aan die akoestiese impedansie van die kontakmedium is, gekies word. Daar moet kennis geneem word dat die bestaan ​​van die elektriese veld die skynbare klanksnelheid in die piëso-elektriese materiaal sal beïnvloed, en selfs die akoestiese impedansie van die piëso-elektriese materiaal sal verander in die werkende toestand. (4) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt Kt van dikte vibrasie-In die ultrasoniese opsporing tegnologie, die belangrikste toepassing is die dikte vibrasie tipe piëzo-elektriese skyfie, so hoe groter die waarde van Kt, hoe beter is die elektromeganiese omskakeling prestasie, wat die sensitiwiteit van die transducer is hoër. (5) Elektromeganiese koppelingskoëffisiënt Kp van radiale vibrasie--Wanneer die piëzo-elektriese skyfie diktevibrasie uitvoer, is daar ook radiale vibrasie terselfdertyd, wat sal inmeng met die diktevibrasie en golfvormvervorming, geraastoename of toename veroorsaak, ens. Daar word gehoop dat die Kp-waarde so klein as moontlik moet wees. In die algemeen, hoe groter die Kt / Kp-waarde, hoe beter.

(6) Diëlektriese konstante ε—Die piëso-elektriese wafer vorm 'n kapasitor nadat die elektrodes bedek is, en die kapasitansie daarvan voldoen aan C = εA / t, dit wil sê die diëlektriese konstante ε, die relatiewe area A van die elektrodes, en die elektrodespasiëring (wafeldikte) t verwant. In die stroombaan beteken 'n klein kapasitansie 'n groot kapasitiewe reaktansie, wat geskik is vir gebruik as 'n hoëfrekwensie piëso-elektriese element. In die besonder, ultrasoniese opsporing transducer werk meestal in die megahertz frekwensie reeks, so dit is nodig dat die ε van die piëso-elektriese materiaal kleiner wees. Omgekeerd, wanneer dit gebruik word om lae-frekwensie piëso-elektriese komponente (soos luidsprekers en mikrofone in die oudioreeks) te maak, moet 'n materiaal met 'n groot ε gekies word om aan die bypassende vereistes van groot kapasiteit en lae kapasitiewe reaktansie te voldoen. Daar moet kennis geneem word dat die waarde van ε ook verband hou met die meganiese vryheid van die transducer, dit wil sê, die diëlektriese konstantes van die meganiese klemtoestand en die meganiese vrye toestand verskil, so daar is verskille tussen εe en ετ. Daarbenewens is die verhouding tussen ε en frekwensie ook meer sensitief, dus moet die ε-waarde eintlik gemeet word op die toestand van die spesifieke bedryfsfrekwensie. Dit beteken dat piëso-elektriese wafers van dieselfde dikte 'n hoër resonansiefrekwensie het, of die dikte van die wafer is groter teen dieselfde resonansiefrekwensie, wat gerieflik is vir die verwerking en vervaardiging van hoëfrekwensiekomponente. Daarom moet 'n materiaal met 'n groter Nt-waarde gekies word.

(8) Ferro-elektriese Curie-punt Tc--Die ferro-elektriese kristal het slegs ferro-elektrisiteit binne 'n sekere temperatuurreeks. Wanneer die temperatuur die ferro-elektriese curie-punt bereik, sal die kristal ferro-elektrisiteit verloor, en die diëlektriese, piëso-elektriese, optiese, elastiese en termiese eienskappe is almal abnormaal. Die meeste ferro-elektriese stowwe het net een curie-punt, maar 'n paar ferro-elektriese stowwe het boonste en onderste curie-punte, en hulle het ferro-elektrisiteit net in die temperatuurreeks tussen die boonste en onderste curie-punte. Byvoorbeeld, die boonste curiepunt van loodsirkonaattitanaat is 115-120 ° C en die onderste curiepunt is -5 ° C. As 5% kalsiumtitanaat by bariumtitanaat gevoeg word, kan die onderste curiepunt -40 ° C. bereik. Daarbenewens het sommige ferro-elektriese stowwe geen curie-punt nie, soos sommige spesiale polimeer piëso-elektriese materiale (omdat hulle gesmelt of selfs verbrand het wanneer hulle 'n sekere temperatuur bereik).

Daar moet kennis geneem word dat wanneer die werklike temperatuur nie die curie-punt bereik het nie, die werkverrigting van baie piëzo-elektriese transduktors (soos Kt, ens.) aansienlik afgeneem of verswak het (byvoorbeeld, die bariumtitanaat-sonde verswak by 60-70 ° C) Boonop is die hoogste temperatuur waarteen dit kan werk nie gelyk aan om skielike temperatuurveranderinge te kan weerstaan deur die bestaan van 'n isotrop nie, insluitend die skielike oorsaak van die isotrop. van termiese uitsetting. Daarom, in die geval van hoër temperature soos sweiselektrodes en verhitting tydens die giet van die absorpsieblok tydens die werklike gebruik van die transducer en die proses om die transducer te maak.

(9) Meganiese kwaliteitsfaktor Qm en elektriese kwaliteitsfaktor Qe-In praktiese toepassings, as die Qm- en Qe-waardes groot is, sal daar 'n 'ringing'-verskynsel wees, wat golfvormvervorming en verminderde resolusie tot gevolg het, wat nie bevorderlik is vir opsporing nie. Die situasie ontstaan. Daarom, vanaf die behoeftes van opsporingstegnologie, om werklik die eienskappe van die eggo-sein te weerspieël en te verseker dat die opsporingsresolusie aan die opsporingsvereistes voldoen, word daar oor die algemeen nie verwag dat Qm en Qe te groot sal wees nie. Benewens die inagneming van die keuse van materiale, wanneer ontwerp en vervaardiging van transduktors, moet frekwensie-, Qm- en Qe-waardes toepaslik verminder word deur die demping op die struktuur te verhoog en die impedansie op die stroombaan te verander. Natuurlik kom die vermindering van Qm- en Qe-waardes ten koste van sensitiwiteit (verminderde uitsetkrag). Daarom moet die toepaslike Q-waarde gekies en aangepas word volgens die behoeftes van die werklike toepassing (volgens ondervinding moet die werklike Q-waarde van die ultrasoniese opsporings-omskakelaar nie groter as 10 wees nie).

(10) Verouderingsprestasie van piëzo-elektriese materiale piëzokeramiese silinderbuis -Die piëzo-elektriese eienskappe van gepolariseerde piëzo-elektriese materiale sal onomkeerbare veranderinge met tyd hê. Hierdie verskynsel word 'veroudering' genoem, soos diëlektriese konstante, diëlektriese verliese, piëso-elektriese konstantes, elektromeganiese koppelingskoëffisiënte, en elastisiteit neem gewoonlik af met tyd, en frekwensiekonstantes en meganiese Q-waardes neem toe met tyd. Die verandering van hierdie parameters is basies lineêr met die logaritmiese waarde van tyd. Dit word oor die algemeen beskou as 'n eenheid van tien jaar, wat 'tien-jaar-veroudering' genoem word. Dit is duidelik dat hierdie indeks die tydstabiliteit van piëso-elektriese materiale weerspieël. Wanneer piëso-elektriese omskakelaars gemaak word, moet behoorlike oorweging geskenk word aan die keuse van materiale met beter tydstabiliteit. Op 'n spesifieke ultrasoniese transducer sal hierdie verouderingsverskynsel spesifiek gemanifesteer word in sensitiwiteit, aanvanklike golfbesetting en elektriese geraasvlak. Daarom moet daar ook aandag gegee word aan die effek van veroudering op die aankoop en berging van die transducer.

(11) Termiese stabiliteit van piëzo-elektriese materiale-Dit verwys na die piëzo-elektriese eienskappe van piëzo-elektriese materiale wat konstant of nie-afgebreek is na 'n tydperk van aaneenlopende werking in 'n sekere temperatuurreeks onder die curie punt, veral vir hoë temperatuur omgewings. Die werkende omskakelaar moet gekies word uit materiale met goeie termiese stabiliteit.
Bogenoemde 11 items is die hoofoorwegings en seleksiebeginsels wanneer ons piëso-elektriese materiale kies om ultrasoniese toetsomskakelaars te maak. Ons moet omvattend oorweeg en toepaslik kies volgens die spesifieke toepassing en behoeftes.