Параметры п'езаэлектрычных матэрыялаў і п'езаэлектрычныя ўраўненні (3)

(11) Механічны каэфіцыент якасці Qm

Калі PZT-матэрыял п'езакераміка выкарыстоўваецца для рэзананснай вібрацыі, неабходна пераадолець страты на ўнутранае механічнае трэнне (унутранае спажыванне), а калі ёсць нагрузка, неабходна пераадолець страты знешняй нагрузкі. Механічны каэфіцыент якасці Qmo (механічнае значэнне Q без нагрузкі) звязаны з гэтымі механічнымі стратамі. І Qm (механічнае значэнне Q пад нагрузкай). Ён вызначаецца як: Qm = механічная энергія, назапашаная п'езаэлектрычным вібратарам пры рэзанансе / механічная энергія, страчаная падчас перыяду рэзанансу. Ён адлюстроўвае колькасць энергіі, якая спажываецца п'езаэлектрычным целам для пераадолення механічных страт пры вібрацыі. Большы Qm азначае меншыя страты механічнай энергіі. Існаванне Qm таксама паказвае на тое, што любы п'езаэлектрычны матэрыял не можа выкарыстоўваць усю ўваходную механічную энергію для выхаду. Пры рэзанансе: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], дзе ZC - акустычны імпеданс п'езаэлектрычнага вібратара; Zl - акустычны імпеданс нагрузкі; Zb - дэмпфуючы блок у акустычным імпедансе п'езаэлектрычнага пераўтваральніка. Для п'езаэлектрычнага пераўтваральніка яго Qm і Qe нязменныя. Яны звязаны з рабочай частатой, паласой частот, вытворчым працэсам, структурай і асяроддзем выпраменьвання (нагрузкай) п'езаэлектрычнага пераўтваральніка. На п'езаэлектрычным пераўтваральніку, які выкарыстоўваецца ў тэхналогіі ультрагукавога выяўлення, калі Qm занадта высокі, форму хвалі вібрацыі, якую стварае вібратар, лёгка зрабіць занадта доўгай (феномен званка), што прывядзе да скажэння формы сігналу і зніжэння разрознасці. Аналагічным чынам, Qe не больш і больш. Выбар і вызначэнне Qm і Qe павінны вырашацца ў адпаведнасці з рэальнымі патрэбамі. Вялікае значэнне Q азначае, што падчас п'езаэлектрычнага эфекту спажыванне энергіі невялікае. Гэта можа паменшыць колькасць цяпла, якое выдзяляецца ў выпадку прымянення высокай магутнасці і высокай частоты або прымянення чыстай магутнасці перадачы, што з'яўляецца перавагай. Аднак для мэт выяўлення пераўтваральніка вялікае значэнне Q невыгодна для пашырэння дыяпазону частот, паляпшэння формы хвалі і павышэння разрознасці. Акрамя таго, паколькі значэнне Q таксама змяняецца ў залежнасці ад характару нагрузкі (напрыклад, асяроддзе нагрузкі, на якое сутыкаецца зонд для апускання ў ваду, і зонд з метадам кантакту адрозніваюцца), уплыў асяроддзя нагрузкі таксама трэба ўлічваць пры распрацоўцы пераўтваральніка (імпеданс выпраменьвання).

(12) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі K
Гэта важны параметр для вывучэння п'езаэлектрычных матэрыялаў з пункту гледжання энергіі. Яго вызначэнне: падчас станоўчага п'езаэлектрычнага эфекту, знешняе напружанне E = 0, і ёсць: K2 = электрычная энергія, назапашаная ў п'езаэлектрычным целе ў ідэальных умовах. Агульная механічная энергія, якая паступае ў п'езаэлектрычнае цела ў гэтых умовах, або іншымі словамі: K2 = пераўтвораная механічная энергія, якая прымушае зарад перамяшчацца паміж злучанымі электродамі / ўваходная механічная энергія, якая ідзе за прыкладзеным напружаннем, знешняе напружанне τ падчас зваротны п'езаэлектрычны эфект = 0, так: K2 = механічная энергія, назапашаная ў п'езаэлектрычным целе пры ідэальных умовах / агульная электрычная энергія, якая паступае ў п'езаэлектрычны корпус пры ідэальных умовах або: K2 = пераўтвораная электрычная энергія, якая выклікае механічнае напружанне / уваходная электрычная энергія пад ціскам. Транзістары валодаюць эластычнасцю, дыэлектрычнасцю і п'езаэлектрычнасцю адначасова і працуюць разам. Па гэтай прычыне неабходна ўвесці гэту фізічную велічыню, каб разглядаць гэтыя характарыстыкі ў адзінай форме, якая паказвае ступень сувязі паміж механічнай энергіяй і электрычнай энергіяй. У фізічным сэнсе ён апісвае толькі пераўтварэнне і не з'яўляецца роўнай эфектыўнасцю, і ператвораная энергія можа не цалкам пераўтварыцца ў выпраменьваную або выходную энергію (уключаючы ўнутранае спажыванне і зваротную сувязь і г.д.). Вядома, у пэўным сэнсе можна таксама сказаць, што каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння K уяўляе «эфектыўнасць» п'езаэлектрычнага цела пры пераўтварэнні электрычнай энергіі ў пругкую энергію або пераўтварэнні пругкай энергіі ў электрычную. У асноўным гэта вызначаецца тыпам п'езаэлектрычнага матэрыялу. Гэта таксама залежыць ад рэжыму вібрацыі п'езаэлектрычнага цела, але не мае нічога агульнага са значэннем рэзананснай частаты пераўтваральніка. Акрамя таго, значэнне K таксама залежыць ад структуры п'езаэлектрычнага пераўтваральніка, умоў працы, памеру электрода і становішча п'езаэлектрычнага цела. Мы можам падзяліць шчыльнасць энергіі U (энергію ў адзінцы аб'ёму) п'езаэлектрычных матэрыялаў на тры часткі: адна - гэта шчыльнасць пругкай энергіі, другая - шчыльнасць энергіі электрычнага поля (шчыльнасць дыэлектрычнай энергіі) і трэцяя - шчыльнасць энергіі п'езаэлектрычнага абмену Um (прапусціце элементы цеплавой і магнітнай энергіі).

Першая частка тут - гэта механічная частка матэрыяльна-механічнай пругкай энергіі, другая - частка Кампанент п'езакерамічнага кольца - гэта электрычная частка - энергія электрычнага поля, а трэцяя частка - гэта шчыльнасць энергіі ўзаемадзеяння паміж пругкай энергіяй і дыэлектрычнай энергіяй. Поўная ўнутраная энергія: U = Ue + Ud + 2Um. Улічваючы, што п'езаэлектрычная энергія з'яўляецца ўзаемазаменнай энергіяй, яна падвойваецца. Такім чынам, мы можам вызначыць электрамеханічны каэфіцыент сувязі па-іншаму: K = Um / ( UeUd) 1/2. Або: K = сярэдняе геаметрычнае значэнне п'езаэлектрычнай энергіі / пругкай энергіі і дыэлектрычнай энергіі. Прычына выбару сярэдняга геаметрычнага значэння пругкай энергіі і дыэлектрычнай энергіі заключаецца ў разглядзе нераўнамернага размеркавання энергіі кожнай малюсенькай часткі п'езаэлектрычнага крышталя. Такім чынам, мы можам сказаць, што стаўленне энергіі, якая можа быць п'езаэлектрычна пераўтворана ў адзінцы аб'ёму п'езаэлектрычнага матэрыялу, з'яўляецца каэфіцыентам электрамеханічнага ўзаемадзеяння. Напрыклад, Ud і Ue не могуць быць п'езаэлектрычна пераўтвораны, але гэта не страта энергіі. Для пэўных матэрыялаў, такіх як кварц, страты энергіі невялікія, а эфектыўнасць пераўтварэння вельмі высокая, але каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння ніжэй, чым у п'езаэлектрычнай керамікі, у той час як эфектыўнасць пераўтварэння п'езаэлектрычнай керамікі не высокая. Большая частка можа быць п'езаэлектрычна пераўтворана, што азначае, што яе электрамеханічны каэфіцыент сувязі высокі. Адсюль мы можам распазнаць розніцу паміж электрамеханічным каэфіцыентам сувязі і эфектыўнасцю. Электрамеханічны каэфіцыент сувязі - гэта стаўленне энергіі, безпамернае, і яго максімальнае значэнне роўна 1, калі K = 0, гэта азначае, што п'езаэлектрычнага эфекту няма. Агульныя электрамеханічныя каэфіцыенты сувязі наступныя:

(1) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі Kp для радыяльнай вібрацыі (таксама вядомы як планарны электрамеханічны каэфіцыент сувязі): адлюстроўвае электрамеханічны эфект сувязі тонкага дыскападобнага п'езаэлектрычнага крышталя, калі ён падвяргаецца радыяльнай тэлескапічнай вібрацыі, пры ўмове, што дыяметр пласціны ў ≥3 разы перавышае таўшчыню пласціны t, кірунак яе таўшчыні - гэта кірунак палярызацыі і кірунак прыкладзенага электрычнага поля.

(2) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі папярочнай вібрацыі (вібрацыі папярочнай даўжыні) K31 адлюстроўвае эфект электрамеханічнай сувязі, калі п'езаэлектрычны крышталь у форме доўгага ліста з напрамкам таўшчыні, як кірунак палярызацыі, расцягваецца і скарачаецца ў напрамку даўжыні, пры ўмове, што даўжыня ліста ў l≥3 разы. Шырыня і таўшчыня шматкоў.

(3) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі K33 падоўжнай вібрацыі (падоўжнай вібрацыі): адлюстроўвае эфект электрамеханічнай сувязі тэлескапічнай вібрацыі ўздоўж напрамку даўжыні, калі тонкі п'езаэлектрычны крышталь у форме стрыжня палярызаваны па таўшчыні, а кірунак электрычнага поля супадае з напрамкам палярызацыі. Умовай з'яўляецца шырыня і таўшчыня або дыяметр стрыжня з даўжынёй l≥3 разоў.

(4) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі Kt вібрацыі па таўшчыні: адлюстроўвае эфект электрамеханічнай сувязі ліставых п'езаэлектрычных крышталяў, палярызаваных у кірунку таўшчыні, і кірунак электрычнага поля таксама ў кірунку таўшчыні. Умова заключаецца ў тым, каб таўшчыня пласціны была меншай за даўжыню боку або дыяметр пласціны.

(5) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі вібрацыі зруху па таўшчыні K15: ён адлюстроўвае эфект электрамеханічнай сувязі вібрацыі зруху па таўшчыні п'езаэлектрычнага крышталя.

Падводзячы вынік, мы можам зрабіць выснову, што асноўныя прынцыпы выбару пры выбары п'езаэлектрычных матэрыялаў для вырабу п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў у практычных прымяненнях ультрагукавога кантролю наступныя: (1) Чым большае значэнне d33--d33, тым лепшыя характарыстыкі выпраменьвання. . Відавочна, што, робячы перадаючы пераўтваральнік, лепш выбіраць матэрыял з як мага большым значэннем d33; (2) Чым большае значэнне g33--g33, тым лепшая прадукцыйнасць прыёму. Відавочна, што калі вы хочаце зрабіць прыёмны пераўтваральнік, вы павінны выбраць матэрыял з вялікім значэннем g33, наколькі гэта магчыма; калі вам трэба зрабіць пераўтваральнік, які спалучае як перадачу, так і прыём, у якасці ўсебаковага разгляду вы павінны выбраць значэнне, блізкае і такое ж вялікае, як d33 і g33. (3) Акустычны імпеданс Z (Z = ρc) - Улічваючы, што каэфіцыент адлюстравання і прапускання ультрагукавых хваль звязаны з розніцай у акустычным імпедансе асяроддзя. чым меншая розніца ў акустычным імпедансе, тым вышэй прапусканне ультрагуку. Для таго, каб як мага больш ультрагукавых хваль ад п'езаэлектрычнага пераўтваральніка трапляла ў доследнае асяроддзе, павінен быць абраны п'езаэлектрычны матэрыял, акустычны імпеданс якога максімальна блізкі да акустычнага імпедансу кантактнага асяроддзя. Варта адзначыць, што наяўнасць электрычнага поля будзе ўплываць на бачную хуткасць гуку ў п'езаэлектрычным матэрыяле, і нават акустычны імпеданс п'езаэлектрычнага матэрыялу будзе змяняцца ў працоўным стане. (4) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі Kt вібрацыі па таўшчыні. У тэхналогіі ультрагукавога выяўлення самым важным прымяненнем з'яўляецца п'езаэлектрычны чып тыпу таўшчыні з вібрацыяй, таму чым большае значэнне Kt, тым лепш прадукцыйнасць электрамеханічнага пераўтварэння, чым вышэй адчувальнасць пераўтваральніка. (5) Электрамеханічны каэфіцыент сувязі Kp радыяльнай вібрацыі - калі п'езаэлектрычны чып выконвае вібрацыю па таўшчыні, адначасова існуе і радыяльная вібрацыя, якая будзе перашкаджаць вібрацыі па таўшчыні і выклікаць скажэнне формы хвалі, павелічэнне або павелічэнне шуму і г. д. Спадзяемся, што значэнне Kp павінна быць як мага меншым. У цэлым, чым большае значэнне Kt / Kp, тым лепш.

(6) Дыэлектрычная пастаянная ε — п'езаэлектрычная пласціна ўтварае кандэнсатар пасля таго, як на электроды нанесена пакрыццё, і яе ёмістасць адпавядае C = εA / t, гэта значыць дыэлектрычная пранікальнасць ε, адносная плошча электродаў A і адлегласць паміж электродамі (таўшчыня пласціны) t. У схеме малая ёмістасць азначае вялікае ёмістнае супраціўленне, якое прыдатна для выкарыстання ў якасці высокачашчыннага п'езаэлектрычнага элемента. У прыватнасці, ультрагукавы пераўтваральнік выяўлення ў асноўным працуе ў дыяпазоне частот мегагерц, таму патрабуецца, каб ε п'езаэлектрычнага матэрыялу было меншым. І наадварот, пры выкарыстанні для вырабу нізкачашчынных п'езаэлектрычных кампанентаў (такіх як дынамікі і мікрафоны ў гукавым дыяпазоне) трэба выбіраць матэрыял з вялікім ε, каб адпавядаць адпаведным патрабаванням вялікай ёмістасці і нізкага ёмістага супраціўлення. Варта адзначыць, што значэнне ε таксама звязана з механічнай свабодай пераўтваральніка, гэта значыць дыэлектрычная пранікальнасць механічнага заціснутага стану і механічнага свабоднага стану адрозніваецца, таму існуюць адрозненні паміж εe і ετ. Акрамя таго, сувязь паміж ε і частатой таксама больш адчувальная, таму значэнне ε павінна быць фактычна вымерана ў залежнасці ад пэўнай працоўнай частаты. Гэта азначае, што п'езаэлектрычныя пласціны аднолькавай таўшчыні маюць больш высокую рэзанансную частату, або таўшчыня пласціны большая пры аднолькавай рэзананснай частаце, што зручна для апрацоўкі і вытворчасці высокачашчынных кампанентаў. Такім чынам, варта выбіраць матэрыял з большым значэннем Nt.

(8) Сегнетоэлектрычны пункт Кюры Tc - сегнетоэлектрычны крышталь мае сегнетоэлектрычнасць толькі ў пэўным дыяпазоне тэмператур. Калі тэмпература дасягае сегнетоэлектрычнай кропкі Кюры, крышталь губляе сегнетоэлектрычнасць, і ўсе дыэлектрычныя, п'езаэлектрычныя, аптычныя, пругкія і цеплавыя ўласцівасці становяцца ненармальнымі. Большасць сегнетоэлектрыкаў маюць толькі адну кропку Кюры, але некаторыя сегнетоэлектрыкі маюць верхнюю і ніжнюю кропкі Кюры, і яны маюць сегнетоэлектрычнасць толькі ў дыяпазоне тэмператур паміж верхняй і ніжняй кропкамі Кюры. Напрыклад, верхняя тэмпература кюры цырканату свінцу складае 115-120 °C, а ніжняя тэмпература кюры -5 °C. Калі да тытанату барыю дадаць 5% тытаната кальцыя, ніжняя тэмпература кюры можа дасягаць -40 °C. Акрамя таго, некаторыя сегнетоэлектрыкі не маюць кропкі Кюры, напрыклад некаторыя спецыяльныя палімерныя п'езаэлектрычныя матэрыялы (таму што яны расплавіліся ці нават згарэлі пры дасягненні пэўнай тэмпературы).

Варта адзначыць, што калі фактычная тэмпература не дасягнула кропкі Кюры, прадукцыйнасць многіх п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў (такіх як Kt і г.д.) значна знізілася або пагоршылася (напрыклад, зонд тытаната барыю пагаршаецца пры 60-70 °C). Больш за тое, самая высокая тэмпература, пры якой ён можа працаваць, не роўная здольнасці вытрымліваць рэзкія перапады тэмпературы, што выклікана існаваннем анізатрапіі, уключаючы каэфіцыент цеплавога пашырэння. Такім чынам, у выпадку больш высокіх тэмператур, такіх як провады зварачнага электрода і нагрэў падчас залівання паглынальнага блока падчас фактычнага выкарыстання пераўтваральніка і працэсу вырабу пераўтваральніка, пры выбары п'езаэлектрычнага матэрыялу варта асабліва звярнуць увагу на ўмовы працы пераўтваральніка.

(9) Механічны каэфіцыент якасці Qm і электрычны каэфіцыент якасці Qe-У практычных прымяненнях, калі значэнні Qm і Qe вялікія, будзе адбывацца з'ява «званка», што прывядзе да скажэння формы сігналу і паніжанай разрознасці, што не спрыяе выяўленню. Узнікае сітуацыя. Такім чынам, зыходзячы з патрэбаў тэхналогіі выяўлення, каб сапраўды адлюстраваць характарыстыкі рэха-сігналу і пераканацца, што раздзяляльнасць выяўлення адпавядае патрабаванням выяўлення, Qm і Qe звычайна не павінны быць занадта вялікімі. У дадатак да ўліку пры выбары матэрыялаў, пры распрацоўцы і вытворчасці пераўтваральнікаў, значэнні частаты, Qm і Qe павінны быць адпаведным чынам зменшаны шляхам павелічэння дэмпфавання структуры і змены імпедансу ланцуга. Вядома, памяншэнне значэнняў Qm і Qe адбываецца за кошт адчувальнасці (зніжэння выхадной магутнасці). Такім чынам, адпаведнае значэнне Q павінна быць выбрана і адрэгулявана ў адпаведнасці з патрэбамі рэальнага прымянення (згодна з вопытам, фактычнае значэнне Q ультрагукавога датчыка выяўлення не павінна перавышаць 10).

(10) Прадукцыйнасць старэння п'езаэлектрычных матэрыялаў п'езакерамічная цыліндрычная трубка - П'езаэлектрычныя ўласцівасці палярызаваных п'езаэлектрычных матэрыялаў з часам будуць мець незваротныя змены. Гэта з'ява называецца 'старэннем', напрыклад, дыэлектрычная пранікальнасць, дыэлектрычныя страты, п'езаэлектрычныя канстанты, каэфіцыенты электрамеханічнага ўзаемадзеяння і пругкасць звычайна памяншаюцца з часам, а канстанты частоты і механічныя значэнні Q павялічваюцца з часам. Змена гэтых параметраў у асноўным лінейная з лагарыфмічным значэннем часу. Звычайна ён разглядаецца як адзінка дзесяць гадоў, што называецца «дзесяцігадовай вытрымкай». Відавочна, што гэты паказчык адлюстроўвае часовую стабільнасць п'езаэлектрычных матэрыялаў. Пры вырабе п'езаэлектрычных пераўтваральнікаў належная ўвага таксама павінна быць нададзена выбару матэрыялаў з лепшай стабільнасцю ў часе. На канкрэтным ультрагукавым пераўтваральніку гэта з'ява старэння будзе канкрэтна выяўляцца ў адчувальнасці, пачатковай акупацыі хвалі і ўзроўні электрычнага шуму. Такім чынам, таксама варта звярнуць увагу на ўплыў старэння на куплю і захоўванне пераўтваральніка.

(11) Цеплавая стабільнасць п'езаэлектрычных матэрыялаў - гэта адносіцца да п'езаэлектрычных уласцівасцей п'езаэлектрычных матэрыялаў, якія з'яўляюцца нязменнымі або не пагаршаюцца пасля перыяду бесперапыннай працы ў пэўным дыяпазоне тэмператур ніжэй кропкі Кюры, асабліва для асяроддзяў з высокай тэмпературай. Працоўны пераўтваральнік павінен выбірацца з матэрыялаў з добрай тэрмічнай стабільнасцю.
Вышэйпералічаныя 11 пунктаў з'яўляюцца асноўнымі меркаваннямі і прынцыпамі выбару пры выбары п'езаэлектрычных матэрыялаў для вырабу ультрагукавых датчыкаў. Мы павінны ўсебакова разгледзець і выбраць належным чынам у адпаведнасці з канкрэтным прымяненнем і патрэбамі.