معلمات المواد الكهرضغطية والمعادلات الكهرضغطية (3)

(11) عامل الجودة الميكانيكية Qm

عندما يتم استخدام السيراميك الانضغاطي من مادة PZT لاهتزاز الرنين، ومن الضروري التغلب على فقدان الاحتكاك الميكانيكي الداخلي (الاستهلاك الداخلي)، وعندما يكون هناك حمل، فمن الضروري التغلب على فقدان الحمل الخارجي. يرتبط عامل الجودة الميكانيكية Qmo (قيمة Q الميكانيكية بدون تحميل) بهذه الخسائر الميكانيكية. و Qm (قيمة Q الميكانيكية تحت الحمل). يتم تعريفها على النحو التالي: Qm = الطاقة الميكانيكية المخزنة بواسطة الهزاز الكهرضغطي عند الرنين / الطاقة الميكانيكية المفقودة خلال فترة الرنين. إنه يعكس كمية الطاقة التي يستهلكها الجسم الكهرضغطي للتغلب على الفقد الميكانيكي عند الاهتزاز. إن Qm الأكبر يعني فقدانًا أقل للطاقة الميكانيكية. يشير وجود Qm أيضًا إلى أنه من المستحيل على أي مادة كهرضغطية أن تستخدم كل الطاقة الميكانيكية المدخلة للإخراج. عند الرنين: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)]، حيث ZC هي المعاوقة الصوتية للهزاز الكهرضغطي؛ Zl هي المعاوقة الصوتية للحمل؛ Zb هي كتلة التخميد في المعاوقة الصوتية لمحول الطاقة الكهرضغطية. بالنسبة لمحول الطاقة الكهرضغطية، فإن Qm وQe ليسا ثابتين. وهي تتعلق بتردد التشغيل وعرض النطاق الترددي وعملية التصنيع والهيكل ووسط الإشعاع (الحمل) لمحول الطاقة الكهرضغطية. على محول الطاقة الكهرضغطية المستخدم في تكنولوجيا الكشف بالموجات فوق الصوتية، عندما تكون Qm عالية جدًا، فمن السهل جعل شكل موجة الاهتزاز الناتج عن الهزاز طويلًا جدًا (ظاهرة الرنين)، مما يؤدي إلى تشويه شكل الموجة وانخفاض الدقة. وعلى نحو مماثل، فإن التيسير الكمي ليس أكبر وأكبر. ينبغي تحديد اختيار وتحديد Qm وQe وفقًا للاحتياجات الفعلية. تعني قيمة Q الكبيرة أن استهلاك الطاقة صغير أثناء التأثير الكهرضغطي. يمكنه تقليل كمية الحرارة المتولدة في حالة تطبيقات الطاقة العالية والتردد العالي أو تطبيقات طاقة النقل النقية، وهي ميزة. ومع ذلك، بالنسبة لمحول الطاقة لأغراض الكشف، فإن قيمة Q الكبيرة تكون غير ملائمة لتوسيع نطاق التردد، وتحسين شكل الموجة، وزيادة الدقة. بالإضافة إلى ذلك، بما أن قيمة Q تتغير أيضًا مع طبيعة الحمل (على سبيل المثال، يختلف وسيط الحمل الذي يواجهه مسبار غمر الماء ومسبار طريقة الاتصال)، يجب أيضًا أخذ تأثير وسط الحمل في الاعتبار عند تصميم محول الطاقة (مقاومة الإشعاع).

(12) معامل الاقتران الكهروميكانيكي K
يعد هذا معاملًا مهمًا لفحص المواد الكهرضغطية من منظور الطاقة. تعريفها هو أثناء التأثير الكهرضغطي الإيجابي، الجهد الخارجي E = 0، وهناك: K2 = الطاقة الكهربائية المخزنة في الجسم الكهرضغطي في ظل الظروف المثالية المثالية. إجمالي الطاقة الميكانيكية المدخلة إلى الجسم الكهرضغطي تحت الظروف، أو بمعنى آخر: K2 = الطاقة الميكانيكية المحولة التي تسبب انتقال الشحنة بين الأقطاب الكهربائية المتصلة / الطاقة الميكانيكية المدخلة التي تتبع الإجهاد المطبق، الإجهاد الخارجي τ أثناء التأثير الكهرضغطي العكسي = 0، نعم: K2 = الطاقة الميكانيكية المخزنة في الجسم الكهرضغطي في ظل الظروف المثالية / إجمالي الطاقة الكهربائية المدخلة إلى الجسم الكهرضغطي في ظل الظروف المثالية أو: K2 = الطاقة الكهربائية المحولة التي تسبب إجهادًا ميكانيكيًا / الطاقة الكهربائية المدخلة تحت الضغط تتمتع الترانزستورات بالمرونة والعزل الكهربائي والكهرضغطية في نفس الوقت، وتعمل معًا. ولهذا السبب لا بد من التعريف بهذه الكمية الفيزيائية لعرض هذه الخصائص بشكل موحد، مما يدل على درجة قوة الاقتران بين الطاقة الميكانيكية والطاقة الكهربائية. بالمعنى المادي، فهو يصف فقط التحويل وليس الكفاءة المتساوية، وقد لا يتم تحويل الطاقة المحولة بالكامل إلى طاقة مشعة أو مخرجة (بما في ذلك الاستهلاك الداخلي والتغذية المرتدة، وما إلى ذلك). بالطبع، يمكن القول أيضًا أن معامل الاقتران الكهروميكانيكي K يمثل 'كفاءة' الجسم الكهرضغطي في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة مرنة، أو تحويل الطاقة المرنة إلى طاقة كهربائية. يتم تحديده بشكل أساسي حسب نوع المادة الكهرضغطية. ويعتمد أيضًا على وضع اهتزاز الجسم الكهرضغطي، لكن لا علاقة له بقيمة تردد الرنين لمحول الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد قيمة K أيضًا على بنية محول الطاقة الكهرضغطية، وظروف التشغيل، وحجم القطب وموضع الجسم الكهرضغطي. يمكننا تقسيم كثافة الطاقة U (الطاقة في وحدة الحجم) للمواد الكهرضغطية إلى ثلاثة أجزاء، أحدهما هو كثافة الطاقة المرنة، والآخر هو كثافة طاقة المجال الكهربائي (كثافة الطاقة العازلة)، والآخر هو كثافة طاقة التبادل الكهرضغطية Um (حذف عناصر الطاقة الحرارية والمغناطيسية).

الجزء الأول هنا هو الجزء الميكانيكي من الطاقة المرنة المادية والميكانيكية، والجزء الثاني من مكونات الحلقة الخزفية هي الجزء الكهربائي من طاقة المجال الكهربائي، والجزء الثالث هو كثافة الطاقة للتفاعل بين الطاقة المرنة والطاقة العازلة. إجمالي الطاقة الداخلية هي: U = Ue + Ud + 2Um. وبالنظر إلى أن الطاقة الكهرضغطية هي طاقة قابلة للتبديل، فهي مضاعفة. ولذلك يمكننا تعريف معامل الاقتران الكهروميكانيكي بطريقة أخرى: K = Um / (UeUd) 1/2. أو: K = القيمة المتوسطة الهندسية للطاقة الكهرضغطية / الطاقة المرنة والطاقة العازلة. السبب في اختيار القيمة المتوسطة الهندسية للطاقة المرنة والطاقة العازلة هو النظر في توزيع الطاقة غير المتكافئ لكل جزء صغير من البلورة الكهرضغطية. بهذه الطريقة، يمكننا القول أن نسبة الطاقة التي يمكن تحويلها كهرضغطية في وحدة حجم مادة كهرضغطية هي معامل الاقتران الكهروميكانيكي. على سبيل المثال، لا يمكن تحويل Ud وUe كهربيًا ضغطيًا، ولكنه ليس فقدانًا للطاقة. بالنسبة لمواد معينة، مثل الكوارتز، يكون فقدان الطاقة صغيرًا وكفاءة التحويل عالية جدًا، لكن معامل الاقتران الكهروميكانيكي الخاص بها أقل من معامل السيراميك الكهروإجهادي، في حين أن كفاءة التحويل للسيراميك الكهرضغطي ليست عالية. يمكن تحويل جزء كبير منه كهرضغطية، مما يعني أن معامل الاقتران الكهروميكانيكي الخاص به مرتفع. ومن هنا يمكننا التعرف على الفرق بين معامل الاقتران الكهروميكانيكي والكفاءة. معامل الاقتران الكهروميكانيكي هو نسبة طاقة، بلا أبعاد، وقيمتها القصوى هي 1، عندما يكون K = 0، فهذا يعني عدم حدوث أي تأثير كهرضغطية. معاملات الاقتران الكهروميكانيكية الشائعة هي كما يلي:

(1) معامل الاقتران الكهروميكانيكي Kp للاهتزاز الشعاعي (المعروف أيضًا باسم معامل الاقتران الكهروميكانيكي المستوي): يعكس تأثير الاقتران الكهروميكانيكي لبلورة كهرضغطية رقيقة على شكل قرص عندما تتعرض لاهتزاز تلسكوبي شعاعي، بشرط أن يكون قطر الرقاقة ≥3 أضعاف سماكة الرقاقة t، واتجاه سمكها هو اتجاه الاستقطاب واتجاه المجال الكهربائي المطبق.

(2) يعكس الاهتزاز المستعرض (اهتزاز الطول المستعرض) معامل الاقتران الكهروميكانيكي K31 تأثير الاقتران الكهروميكانيكي عندما تكون البلورة الكهرضغطية الطويلة على شكل ورقة مع اتجاه السُمك حيث يمتد اتجاه الاستقطاب ويتقلص في اتجاه الطول، بشرط أن يكون طول الورقة l≥3 مرات. عرض وسمك الرقائق.

(3) معامل الاقتران الكهروميكانيكي K33 للاهتزاز الطولي (اهتزاز الطول الطولي): يعكس تأثير الاقتران الكهروميكانيكي للاهتزاز التلسكوبي على طول اتجاه الطول عندما يتم استقطاب البلورة الكهرضغطية النحيفة على شكل قضيب في اتجاه السُمك، ويكون اتجاه المجال الكهربائي هو نفس اتجاه الاستقطاب. الشرط هو عرض القضيب وسمكه أو قطره بطول l≥3 مرات.

(4) معامل الاقتران الكهروميكانيكي Kt لاهتزاز السماكة: يعكس تأثير الاقتران الكهروميكانيكي للبلورات الكهروإجهادية على شكل صفائح مستقطبة في اتجاه السُمك واتجاه المجال الكهربائي أيضًا في اتجاه السُمك. الشرط هو أن يكون سمك الرقاقة أصغر من طول الجانب أو قطر الرقاقة.

(5) معامل الاقتران الكهروميكانيكي لاهتزاز قص السماكة K15: إنه يعكس تأثير الاقتران الكهروميكانيكي لاهتزاز قص السماكة للبلورة الكهرضغطية.

باختصار، يمكننا أن نستنتج أن مبادئ الاختيار الرئيسية عند اختيار المواد الكهرضغطية لصنع محولات الطاقة الكهرضغطية في التطبيقات العملية للاختبار بالموجات فوق الصوتية هي كما يلي: (1) كلما زادت قيمة d33-d33، كان أداء الانبعاث أفضل. . من الواضح أنه عند صنع محول إرسال، فمن الأفضل اختيار مادة ذات قيمة d33 أكبر حجم ممكن؛ (2) كلما زادت قيمة g33--g33، كان أداء الاستلام أفضل. من الواضح، إذا كنت ترغب في صنع محول استقبال، فيجب عليك اختيار مادة ذات قيمة كبيرة g33 قدر الإمكان؛ عندما تحتاج إلى إنشاء محول طاقة يجمع بين كل من الإرسال والاستقبال، كاعتبار شامل، يجب عليك اختيار قيمة قريبة من وكبيرة مثل d33 وg33 أيضًا. (3) المعاوقة الصوتية Z (Z = ρc) - مع الأخذ في الاعتبار أن انعكاس ونفاذية الموجات فوق الصوتية ترتبط بالاختلاف في المعاوقة الصوتية بين الوسط. الفرق الأصغر في المعاوقة الصوتية هو نفاذية الموجات فوق الصوتية الأعلى. من أجل جعل أكبر عدد ممكن من الموجات فوق الصوتية من محول الطاقة الكهرضغطية تدخل إلى وسط الاختبار، يجب اختيار مادة كهرضغطية تكون معاوقتها الصوتية أقرب ما يمكن إلى المعاوقة الصوتية لوسط الاتصال. تجدر الإشارة إلى أن وجود المجال الكهربائي سيؤثر على سرعة الصوت الظاهرة في المادة الكهرضغطية، وحتى المعاوقة الصوتية للمادة الكهرضغطية ستتغير في حالة العمل. (4) معامل الاقتران الكهروميكانيكي Kt لاهتزاز السُمك - في تقنية الكشف بالموجات فوق الصوتية، التطبيق الأكثر أهمية هو شريحة كهرضغطية من نوع اهتزاز السُمك، وبالتالي كلما زادت قيمة Kt، كان أداء التحويل الكهروميكانيكي أفضل، وحساسية محول الطاقة أعلى. (5) معامل الاقتران الكهروميكانيكي Kp للاهتزاز الشعاعي - عندما تقوم الشريحة الكهرضغطية بإجراء اهتزاز سمك، يكون هناك أيضًا اهتزاز شعاعي في نفس الوقت، مما سيتداخل مع اهتزاز السمك ويسبب تشوه شكل الموجة، وزيادة الضوضاء أو زيادتها، وما إلى ذلك. ومن المأمول أن تكون قيمة Kp صغيرة قدر الإمكان. بشكل عام، كلما كانت قيمة Kt / Kp أكبر، كلما كان ذلك أفضل.

(6) ثابت العزل الكهربائي ε - تشكل الرقاقة الكهرضغطية مكثفًا بعد طلاء الأقطاب الكهربائية، وتتوافق سعتها مع C = εA / t، أي ثابت العزل الكهربائي ε، والمنطقة النسبية A للأقطاب الكهربائية، وتباعد القطب الكهربائي (سمك الرقاقة) t مرتبط. في الدائرة، السعة الصغيرة تعني مفاعلة سعوية كبيرة، وهي مناسبة للاستخدام كعنصر كهرضغطية عالي التردد. على وجه الخصوص، يعمل محول الكشف بالموجات فوق الصوتية في الغالب في نطاق تردد ميجاهيرتز، لذلك يلزم أن يكون ε للمادة الكهرضغطية أصغر. على العكس من ذلك، عند استخدامها لصنع مكونات كهرضغطية منخفضة التردد (مثل مكبرات الصوت والميكروفونات في النطاق الصوتي)، يجب اختيار مادة ذات ε كبير لتلبية متطلبات المطابقة ذات السعة الكبيرة والمفاعلة السعوية المنخفضة. تجدر الإشارة إلى أن قيمة ε ترتبط أيضًا بالحرية الميكانيكية لمحول الطاقة، أي أن الثوابت العازلة لحالة التثبيت الميكانيكية والحالة الحرة الميكانيكية مختلفة، لذلك هناك اختلافات بين εe و ετ. بالإضافة إلى ذلك، فإن العلاقة بين ε والتردد هي أيضًا أكثر حساسية، لذا يجب قياس قيمة ε فعليًا بشرط تردد التشغيل المحدد. وهذا يعني أن الرقائق الكهرضغطية بنفس السماكة لها تردد رنين أعلى، أو أن سماكة الرقاقة أكبر عند نفس تردد الرنين، وهو مناسب لمعالجة وتصنيع المكونات عالية التردد. ولذلك، ينبغي اختيار مادة ذات قيمة Nt أكبر.

(8) نقطة كوري الكهروضوئية Tc - تحتوي البلورة الكهروضوئية على كهروضوئية فقط ضمن نطاق درجة حرارة معين. عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة كوري الكهروضوئية، ستفقد البلورة كهروضوئية، وستكون الخصائص العازلة والكهرضغطية والبصرية والمرنة والحرارية كلها غير طبيعية. تمتلك معظم أنواع الطاقة الكهروضوئية نقطة كوري واحدة فقط، ولكن القليل منها لها نقاط كوري عليا وسفلية، ولديها طاقة متعلق بالعازل الكهربائي فقط في نطاق درجة الحرارة بين نقطتي كوري العلوية والسفلية. على سبيل المثال، نقطة الكوري العليا لتيتانات زركونات الرصاص هي 115-120 درجة مئوية ونقطة الكوري السفلية هي -5 درجة مئوية. إذا تمت إضافة تيتانات الكالسيوم بنسبة 5٪ إلى تيتانات الباريوم، يمكن أن تصل نقطة الكوري السفلية إلى -40 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض المواد الكهروضوئية ليس لها نقطة كوري، مثل بعض المواد الكهرضغطية البوليمرية الخاصة (لأنها تذوب أو حتى تحترق عندما تصل إلى درجة حرارة معينة).

تجدر الإشارة إلى أنه عندما لا تصل درجة الحرارة الفعلية إلى نقطة الكوري، فإن أداء العديد من محولات الطاقة الكهرضغطية (مثل Kt وغيرها) ينخفض ​​أو يتدهور بشكل كبير (على سبيل المثال، يتدهور مسبار تيتانات الباريوم عند 60-70 درجة مئوية). علاوة على ذلك، فإن أعلى درجة حرارة يمكن أن يعمل فيها لا تساوي القدرة على تحمل التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة، والتي تنتج عن وجود تباين الخواص بما في ذلك معامل التمدد الحراري. لذلك، في حالة ارتفاع درجات الحرارة مثل أسلاك اللحام الكهربائية والتسخين أثناء صب كتلة الامتصاص أثناء الاستخدام الفعلي لمحول الطاقة وعملية صنع محول الطاقة، عند اختيار مادة كهروضغطية، ينبغي إيلاء اعتبار محدد لظروف تشغيل محول الطاقة.

(9) عامل الجودة الميكانيكية Qm وعامل الجودة الكهربائية Qe-في التطبيقات العملية، إذا كانت قيم Qm وQe كبيرة، فستكون هناك ظاهرة 'رنين'، مما يؤدي إلى تشويه الشكل الموجي وانخفاض الدقة، وهو ما لا يفضي إلى الكشف. ينشأ الوضع. لذلك، بدءًا من احتياجات تكنولوجيا الكشف، من أجل عكس خصائص إشارة الصدى بشكل حقيقي والتأكد من أن دقة الكشف تلبي متطلبات الكشف، من غير المتوقع عمومًا أن تكون Qm وQe كبيرة جدًا. بالإضافة إلى الأخذ في الاعتبار عند اختيار المواد، عند تصميم وتصنيع محولات الطاقة، يجب تقليل قيم التردد وQm وQe بشكل مناسب عن طريق زيادة التخميد على الهيكل وتغيير المعاوقة على الدائرة. وبطبيعة الحال، فإن تخفيض قيم Qm وQe يأتي على حساب الحساسية (انخفاض طاقة الإخراج). لذلك، يجب تحديد قيمة Q المناسبة وتعديلها وفقًا لاحتياجات التطبيق الفعلي (وفقًا للتجربة، يجب ألا تكون قيمة Q الفعلية لمحول الكشف بالموجات فوق الصوتية أكبر من 10).

(10) أداء الشيخوخة للمواد الكهرضغطية أنبوب أسطواني من السيراميك الانضغاطي - سوف يكون للخصائص الكهرضغطية للمواد الكهرضغطية المستقطبة تغيرات لا رجعة فيها مع مرور الوقت. وتسمى هذه الظاهرة 'الشيخوخة'، مثل ثابت العزل الكهربائي، وفقدان العزل الكهربائي، وثوابت كهرضغطية، ومعاملات الاقتران الكهروميكانيكية، والمرونة عادة ما تتناقص مع مرور الوقت، وتزداد ثوابت التردد وقيم Q الميكانيكية مع مرور الوقت. إن تغيير هذه المعلمات يكون خطيًا بشكل أساسي مع القيمة اللوغاريتمية للوقت. ويُنظر إليها بشكل عام على أنها وحدة العشر سنوات، والتي تسمى 'الشيخوخة العشرية'. من الواضح أن هذا المؤشر يعكس الاستقرار الزمني للمواد الكهرضغطية. عند تصنيع محولات الطاقة الكهرضغطية، ينبغي أيضًا إيلاء الاعتبار الواجب لاختيار المواد ذات الاستقرار الزمني الأفضل. في محول طاقة بالموجات فوق الصوتية المحدد، سوف تتجلى ظاهرة الشيخوخة هذه بشكل خاص في الحساسية واحتلال الموجة الأولي ومستوى الضوضاء الكهربائية. لذلك، ينبغي أيضًا الانتباه إلى تأثير التقادم على شراء وتخزين محول الطاقة.

(11) الاستقرار الحراري للمواد الكهرضغطية - يشير هذا إلى الخواص الكهروضغطية للمواد الكهرضغطية التي تكون ثابتة أو غير متحللة بعد فترة من التشغيل المستمر في نطاق درجة حرارة معين أقل من نقطة كوري، خاصة بالنسبة لبيئات درجات الحرارة المرتفعة. يجب اختيار محول الطاقة العامل من مواد ذات ثبات حراري جيد.
العناصر الـ 11 المذكورة أعلاه هي الاعتبارات الرئيسية ومبادئ الاختيار عندما نختار المواد الكهرضغطية لصنع محولات اختبار الموجات فوق الصوتية. يجب أن نفكر بشكل شامل ونختار بشكل مناسب وفقًا للتطبيق والاحتياجات المحددة.