تطبيق السيراميك الكهرضغطي المستخدم في محول المسافة بالموجات فوق الصوتية

في العشرين سنة الماضية،لقد تطورت تكلفة الكريستال الكهرضغطية بسرعة في الداخل والخارج. نظرًا لمزايا الإنتاج البسيط والتكلفة المنخفضة والاستقرار الجيد، فقد تم استخدامها على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات والضوء والحرارة والصوتيات، ولها نطاق واسع. محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية مصنوعة من السيراميك الكهرضغطي الذي يمكنه إنتاج موجات فوق صوتية ذات اتجاهية جيدة. إنها مثالية لقياس المعلمات مثل السرعة والمسافة، ويمكن أن تعمل بثبات وموثوقية في ظل الظروف البيئية القاسية.

فيما يتعلق بجهاز قياس المدى بالموجات فوق الصوتية، يشير الموجات فوق الصوتية إلى الموجات الصوتية بتردد أعلى من 20 كيلو هرتز، وهي موجة ميكانيكية. بسبب اتجاهه الجيد وتحمله للبيئة، يتم استخدامه في تكنولوجيا قياس عزم الدوران. جهاز قياس المدى بالموجات فوق الصوتية هو تقنية قياس عدم الاتصال. تشمل الطرق بشكل أساسي طريقة النبض وطريقة الطور وطريقة تحويل التردد. يستخدم جهاز قياس المدى بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي طريقة النبض. تحدد طريقة النبض قيمة المسافة مباشرة عن طريق قياس الوقت الذي تنتقل خلاله إشارة النبض الحامل ذهابًا وإيابًا عبر المسافة المراد قياسها. صيغة توليد الطاقة من لوحة بيزو هو D=Vt2D/2، حيث D هي المسافة المراد قياسها؛ V هي سرعة انتشار الناقل في الهواء؛ t2D هو وقت رحلة الناقل ذهابًا وإيابًا. تتأثر دقة طريقة النبض بدقة قياس الوقت، كما تتأثر دقة قياس الوقت بتردد التذبذب. إذا تم استخدام الموجات فوق الصوتية كموجة حاملة وكانت دقة قياس المسافة D≥1cm، فيجب أن تكون دقة اختبار الوقت t≥5.9×10-5s، أي طالما أن تردد التذبذب يصل إلى 1.7×104 هرتز، فمن السهل جدًا التنفيذ.

يتم تصنيع محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الكهروإجهادية باستخدام التأثير الكهرضغطي للمواد الكهرضغطية. تخضع المادة الكهرضغطية المستقطبة لتشوه ميكانيكي تحت تأثير المجال الكهربائي المطبق. وهذا ما يسمى التأثير الكهرضغطية العكسي. على العكس من ذلك، فإن التشوه الميكانيكي للمادة الكهروضغطية ينتج أيضًا جهدًا، وهو ما يسمى التأثير الكهرضغطي الإيجابي. باستخدام التأثير الكهرضغطي العكسي، يمكن تحويل الجهد عالي التردد إلى اهتزاز ميكانيكي عالي التردد لتوليد موجات فوق صوتية؛ يمكن أيضًا استخدام التأثير الكهروإجهادي الإيجابي لتحويل اهتزاز الموجات فوق الصوتية المستقبلة إلى إشارة كهربائية. هذه هي الطريقة التي يعمل بها محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية. يمكن النظر إلى محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الكهرضغطية على أنها شبكات ذات أربع أطراف ذات نهايات كهربائية وميكانيكية.

اختيار المواد الكهرضغطية الألواح الكهربائية الانضغاطية هي أن المواد الكهروضغطية المستخدمة في صنع محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية تشمل بلورات مفردة كهرضغطية، وسيراميك كهرضغطية متعدد البلورات، وبوليمرات كهرضغطية عالية، ومواد مركبة كهرضغطية. من بينها، يتميز السيراميك الكهرضغطي من تيتانات الزركون الرصاص بمزايا القوة الميكانيكية العالية، ومقاومة درجة الحرارة والرطوبة، والتكلفة المنخفضة وتأثير الاقتران الكهروميكانيكي الجيد، وقد تم استخدامه على نطاق واسع في محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية. يستخدم محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية في جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية السيراميك الكهرضغطي من تيتانات زركونات الرصاص كمادة هزازة.

إذا كان اثنان ممدود يتم ربط البلورات الكهرضغطية ذات القرص الكهرضغطي بنفس السُمك والمستقطب معًا، ويمكن توليد اهتزاز الانحناء عند تطبيق مجال كهربائي مثير للتسبب في استطالة الآخر وتقصيره. يتم استقطاب لوحتي السيراميك الانضغاطيتين المرتبطتين في اتجاهين متعاكسين، ويتم توصيلهما على التوالي بمصدر الطاقة؛ تظهر أوضاع الاتصال المتوازي للصفائح الخزفية الانضغاطية التي لها نفس اتجاه الاستقطاب. في لوحتين لاصقتين من السيراميك الانضغاطي، يقوم المجال الكهربائي بإثارة واحدة منهما فقط لإنتاج اهتزاز الانحناء. وبالمثل، فإن ربط لوحتين من السيراميك الكهرضغطي بصفيحة معدنية رفيعة، أو ربط لوح خزفي بصفيحة معدنية رفيعة، يمكن أن ينتج أيضًا سمك اهتزاز منحني. تردد الرنين fr لوضع اهتزاز الانحناء وطول الورقة. العلاقة بين السماكة الكلية t واللوحة اللاصقة هي fr = Nlttl2، حيث Nlt هو ثابت التردد. ينطبق وضع اهتزاز ثني السماكة على نطاق تردد يتراوح من 500 هرتز إلى 100 كيلو هرتز. حجم هذا الهزاز بشكل عام هو عرض لوح السيراميك، l = (6 ~ 10) بالوزن ≥ 3.5 طن. يتميز وضع اهتزاز قص السماكة بأن سطح القطب الكهربائي موازٍ لاتجاه الاستقطاب، وتتعرض لوح السيراميك الانضغاطي لاهتزاز القص في اتجاه السماكة تحت تأثير مجال كهربائي متناوب. من السهل نسبيًا إثارة وضع قص السماكة، ويستخدم بشكل أساسي في نطاق التردد العالي من 10 إلى 60 كيلو هرتز، والذي لن يتم وصفه بالتفصيل. في جهاز قياس المدى بالموجات فوق الصوتية، ينبعث محول الطاقة الكهرضغطية موجات فوق صوتية، وتكون سعة اهتزاز الهزاز كبيرة، لذا فإن وضع الاهتزاز المنحني هو الأفضل. في الوقت نفسه، نظرًا لأن المعاوقة الصوتية للهواء منخفضة للغاية، فمن المستحيل على مادة كهرضغطية عامة أن تحقق مقاومة مطابقة معها، وبالتالي يجب أن تتحقق عن طريق طبقة انتقالية. لقد وجد أن قطعة السيراميك الكهرضغطية مرتبطة بالقطعة المعدنية الرقيقة، و يتم استخدام الموجات فوق الصوتية لمحول الطاقة الكهرضغطية كمصدر للإثارة لتوليد وضع اهتزاز منحني، ذو سعة كبيرة ومقاومة صوتية صغيرة، ويمكن أن يحقق مقاومة صوتية مطابقة للهواء. . هذه المادة على شكل هيكل مرتبط من صفائح السيراميك الانضغاطية وصفائح معدنية رقيقة.

 يمكن أيضًا أن تعمل الصفائح المعدنية الرقيقة كطبقة واقية لحماية السيراميك الكهرضغطي والأقطاب الكهربائية من التآكل والتلف. يمكن اختيار المادة من سبائك التيتانيوم والنيكل والكروم عالية الثبات. نظرًا لأن المعدن الأرق هو الأعلى، فإن ضغط الصوت هو نفاذية ترددية، وقد تم تصميم القطعة المعدنية لتكون رقيقة، بشكل عام حوالي 0.1 مم. يتطلب شكل وحجم الهزاز في جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية أن يكون مجال الموجات فوق الصوتية المنقول على شكل مروحة، مع الأخذ في الاعتبار استخدام هزاز مستطيل كمصدر للموجة. يتم استخدام مصدر موجة مستطيل بطول L وعرض W لاهتزاز المكبس، ويشع مجال الصوت الموجي الطولي في وسط الغاز مشابهًا لمصدر القرص. الشعاع الرئيسي للإشعاع هو هرم رباعي الزوايا، وهو منظور منظور للفص الرئيسي الاتجاهي لمصدر الموجة المستطيل. يصدر جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية موجة فوق صوتية تبلغ 36 كيلو هرتز لنطاق تردد واحد، أي أن تردد الرنين لمذبذب السيراميك الكهرضغطي هو 36 كيلو هرتز. لا يلبي هذا التردد متطلبات النظام فيما يتعلق بنطاق الكشف والدقة والحساسية فحسب، بل يجعل أيضًا الموجات فوق الصوتية المرسلة تتمتع بكفاءة أعلى في انتشار الهواء. من خلال حساب الصيغة والتصحيح التجريبي، يتم تحديد حجم الهزاز المستطيل السيراميكي الكهرضغطي على النحو التالي: L=26.5mm، W=11.2mm، وقد تم تصميم محول الطاقة الكهرضغطية كهيكل قريب من رنين التردد الأساسي، والقشرة مصنوعة من البلاستيك الهندسي. يمكنه تثبيت وحماية الألواح اللاصقة المعدنية والسيراميك. يتم توصيل دبابيس القطب الكهربائي على التوالي بقطب المعدن وقطعة السيراميك من خلال أسلاك الرصاص، ويمكن لحام طريقة الاتصال عن طريق اللحام أو الغراء الموصل بدرجة حرارة منخفضة.