مبدأ عمل محول السيراميك الكهرضغطي

نظرة عامة على محولات الطاقة السيراميكية الكهرضغطية

يتكون محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي من بلورة سيراميك كهرضغطية ومعدنين خفيفين وثقيلين. بعد معالجة الاستقطاب عند درجة حرارة معينة، يكون له تأثير كهرضغطية. لقد دخلت محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الخزفية الكهرضغطية مجال البحث البشري لفترة طويلة. إنه سهل التصنيع، ولديه إمكانية تحكم قوية، وحساسية عالية، واقتران كهروميكانيكي جيد. محولات الطاقة  تم تطوير  على أساس السيراميك الكهرضغطي بما في ذلك محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية للكشف.

تقنية الموجات فوق الصوتية هي تقنية اختبار غير مدمرة مستخدمة على نطاق واسع. يعتمد على النظرية الصوتية ويستخدم بشكل مستمر في مجالات الإلكترونيات والاتصالات والطب والأحياء والفيزياء. في تكنولوجيا الكشف الحديثة، تكتسب محولات الطاقة التي تم تطويرها باستخدام تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية المزيد والمزيد من الاهتمام بسبب حساسيتها العالية ودقتها العالية.

محولات الطاقة شائعة الاستخدام في عملية الفحص هي محولات الطاقة ذات الحلقات الانضغاطية، ومحولات الطاقة المغناطيسية، ومحولات الطاقة الصوتية الكهرومغناطيسية، ومحولات طاقة الليزر. الأكثر استخدامًا هو محول الطاقة الكهرضغطية، ومكونه الأساسي هو الشريحة الكهرضغطية. يمكن أن تتشوه الرقاقة الكهرضغطية بسبب الضغط، مما يؤدي إلى استقطاب الرقاقة نفسها، وتظهر الشحنات المقيدة الموجبة والسالبة على سطح الرقاقة. هذا التأثير هو تأثير كهرضغطية. علاوة على ذلك، فإن التأثير الكهرضغطي قابل للعكس، أي أنه يتشوه عند تطبيق جهد على الرقاقة. في عملية الكشف، يمكن لجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية توليد موجات فوق صوتية باستخدام التأثير الكهرضغطي العكسي، واستخدام التأثير الكهرضغطي لتحقيق الغرض من استقبال الموجات فوق الصوتية. لقد دخلت محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الخزفية الكهرضغطية مجال البحث البشري لفترة طويلة. إنه سهل التصنيع، ولديه إمكانية تحكم قوية، وحساسية عالية، واقتران كهروميكانيكي جيد. محولات الطاقة التي تم تطويرها على أساس السيراميك الكهرضغطي تشمل محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ومحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية للكشف.

مبدأ عمل محول السيراميك الكهرضغطي

مبدأ محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية هو أنه عند تطبيق الضغط أو التوتر على السيراميك pzt  ، تتولد شحنات ذات أقطاب معاكسة عند طرفي السيراميك، ويتم توليد التيار من خلال الدائرة. ويسمى هذا التأثير التأثير الكهرضغطية. إذا تم وضع محول الطاقة المصنوع من السيراميك الكهرضغطي في الماء، فسيتم تحفيز الشحنات تحت تأثير الموجات الصوتية عند طرفي محول الطاقة، وهو جهاز استقبال للموجات الصوتية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التأثير الكهرضغطي قابل للعكس. إذا تم تطبيق مجال كهربائي متناوب على لوح السيراميك الكهرضغطي، فإن لوح السيراميك الكهرضغطي سيصبح أرق وأكثر سمكًا من وقت لآخر، وفي نفس الوقت يولد اهتزازًا ويصدر موجات صوتية. وبالتالي، تم حل مشكلة جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية.

هناك نوعان من مكونات الحلقة الخزفية  الانضغاطية المعدنية والسيراميك الكهرضغطي. الغرض من هذه المقالة هو تصميم محولات الطاقة لتصنيع الآلات بالموجات فوق الصوتية الميكانيكية عالية الطاقة، لذلك يتم مناقشة محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية فقط. كنوع من شبكة نقل الطاقة، فإن محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي لديه مشكلة كفاءة تحويل الطاقة. ترتبط كفاءة التحويل باختيار مادة محول الطاقة وشكل الاهتزاز وهيكل نظام الاهتزاز الميكانيكي (بما في ذلك آلية الدعم) وتردد التشغيل. لذلك، عند تصميم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية، ينبغي مراعاة عوامل مختلفة، مثل المعاوقة الصوتية، واستجابة التردد، ومطابقة المعاوقة، والبنية الصوتية، ووضع الاهتزاز، ومواد التحويل، بالإضافة إلى كيفية تصميم وتنسيق هذه العوامل من أجل تحقيق أفضل قيمة للتحويل الكهربائي الصوتي.

محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي عبارة عن مادة خزفية إلكترونية ذات خصائص كهرضغطية. يتمثل الاختلاف الرئيسي عن بلورة الكوارتز الكهرضغطية النموذجية التي لا تحتوي على مكونات كهروضوئية في أن المراحل البلورية التي تشكل مكوناتها الرئيسية هي حبيبات بلورية كهروضوئية. نظرًا لأن السيراميك الانضغاطي عبارة عن مجاميع متعددة البلورات ذات حبيبات موجهة بشكل عشوائي، فإن ناقل الاستقطاب التلقائي لكل حبيبة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف يكون أيضًا مشوشًا. لكي يظهر الانضغاطي السيراميك s خصائص كهرضغطية كلية، يجب أن يتم استقطاب السيراميك الكهرضغطي في مجال كهربائي قوي بتيار مستمر بعد إطلاق النار، ويتعرض الوجه النهائي لأقطاب كهربائية متعددة، بحيث يكون ناقل الاستقطاب لاتجاه الاضطراب الأصلي موجهًا بشكل تفضيلي في اتجاه المجال الكهربائي. بعد معالجة الاستقطاب، سيحافظ السيراميك الكهرضغطي على كثافة استقطاب متبقية معينة، بحيث يكون للسيراميك ضغط معين.

تطبيق محول السيراميك الكهروإجهادي

نظرًا لمزايا عدم الاتصال بتقنية الموجات فوق الصوتية، حاول التقديم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الخزفية الكهرضغطية لنظام الكشف عن تركيز السائل. تستخدم الشريحة الموجودة في النظام سلسلة Spartan 3E FPGA. يلعب محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي دورًا مهمًا في إرسال واستقبال الإشارات. يتم دفع الإشارة بالموجات فوق الصوتية ذات التردد والسعة المحددة الناتجة عن محول الطاقة إلى السائل من خلال دائرة الإرسال. بعد أن يتم تخفيف الإشارة بواسطة السائل، يمكن استقبال الإشارة مع معلومات تركيز السائل من محول الطاقة المستقبل. ومن خلال تحليل طريقة تخفيف الصوت، يتم الحصول على التركيز التقريبي للسائل بشكل فعال. يتضمن التصميم البرمجي للنظام البرنامج الرئيسي، برنامج القياس بالموجات فوق الصوتية، برنامج التحكم في النبض، برنامج جهاز إرسال واستقبال النبض، برنامج التحكم في اكتساب ADC وبرنامج الساعة والمنبه.

في التجربة، يمكن قياس السائل الساكن أولاً، ويتم استخدام طريقة التوهين بالموجات فوق الصوتية لتحليل الإشارة التي تم جمعها في الطرف المتلقي، وتتم معالجة المغلف، ويتم الحصول على معلومات التركيز من خلال الجمع بين مسار انتشار الإشارة (قطر الأنبوب). بعد ذلك، يتم إجراء القياس الديناميكي للسائل الديناميكي، ويحتاج مسار انتشار الإشارة إلى مراعاة سرعة تدفق السائل لحساب المسار التقريبي.