Aplikace piezoelektrické keramiky používané v ultrazvukovém snímači vzdálenosti

V posledních 20 letechcena piezoelektrických krystalů se rychle rozvíjela doma i v zahraničí. Pro své výhody jednoduché výroby, nízké ceny a dobré stability našly široké uplatnění v oblasti elektroniky, světla, tepla a akustiky a mají široký sortiment. Ultrazvukové měniče jsou vyrobeny z piezoelektrické keramiky, která dokáže produkovat ultrazvukové vlny s dobrou směrovostí. Jsou ideální pro měření parametrů, jako je rychlost a vzdálenost, a mohou pracovat stabilně a spolehlivě v náročných podmínkách prostředí.

Pokud jde o ultrazvukové zaměřovací zařízení, ultrazvuk se týká zvukových vln s frekvencí vyšší než 20 kHz, což je mechanické vlnění. Pro svou dobrou směrovost a toleranci vůči okolí se používá v technologii měření točivého momentu. Ultrazvukové měřící zařízení je bezkontaktní měřící technika. Mezi metody patří především pulzní metoda, fázová metoda a metoda frekvenční konverze. Ultrazvukové měřící zařízení využívá především pulzní metodu. Pulzní metoda přímo určuje hodnotu vzdálenosti měřením času, během kterého se signál nosného pulzu pohybuje tam a zpět po měřené vzdálenosti. Vzorec z Generování energie piezoelektrické desky je D=Vt2D/2, kde D je vzdálenost, která má být měřena; V je rychlost šíření nosiče ve vzduchu; t2D je doba zpáteční cesty dopravce. Přesnost pulzní metody je ovlivněna přesností měření času a přesnost měření času je ovlivněna frekvencí kmitání. Pokud se jako nosič použije ultrazvuková vlna a přesnost měření vzdálenosti je D≤1 cm, je požadována přesnost časového testu t≤5,9×10-5s, to znamená, že pokud kmitočet oscilace dosáhne 1,7×104 Hz, je to velmi snadné.

Piezoelektrické ultrazvukové měniče jsou vyrobeny pomocí piezoelektrického jevu piezoelektrických materiálů. Polarizovaný piezoelektrický materiál podléhá mechanické deformaci působením aplikovaného elektrického pole. Toto se nazývá inverzní piezoelektrický jev. A naopak, mechanická deformace piezoelektrického materiálu také vytváří napětí, které se nazývá pozitivní piezoelektrický jev. Použitím inverzního piezoelektrického jevu může být vysokofrekvenční napětí převedeno na vysokofrekvenční mechanické vibrace za účelem generování ultrazvukových vln; pozitivní piezoelektrický jev lze také použít k přeměně přijímaných ultrazvukových vibrací na elektrický signál. Takto funguje ultrazvukový měnič. Na piezoelektrické ultrazvukové měniče lze nahlížet jako na čtyřsvorkové sítě s elektrickými a mechanickými konci.

Výběr piezoelektrických materiálů piezoelektrické desky je, že piezoelektrické materiály pro výrobu ultrazvukových měničů zahrnují piezoelektrické monokrystaly, polykrystalickou piezoelektrickou keramiku, piezoelektrické vysoce polymery a piezoelektrické kompozitní materiály. Mezi nimi má piezoelektrická keramika zirkoničitan titaničitý výhody vysoké mechanické pevnosti, odolnosti vůči teplotě a vlhkosti, nízké ceny a dobrého elektromechanického vazebného účinku a je široce používána v ultrazvukových měničích. Ultrazvukový měnič v ultrazvukovém dálkoměru používá jako materiál vibrátoru piezoelektrickou keramiku zirkonát titaničitan olovnatý.

Pokud dva protáhlé piezoelektrický disk piezoelektrický krystal stejné tloušťky a polarizovaný jsou spojeny dohromady, mohou být generovány ohybové vibrace, když je aplikováno budicí elektrické pole, které způsobí prodloužení a druhé zkrácení. Dvě piezokeramické desky, které jsou spojeny, jsou polarizovány v opačných směrech a jsou zapojeny do série k napájení; jsou znázorněny režimy paralelního připojení dvou piezokeramických desek majících stejný směr polarizace. U dvou piezokeramických lepicích fólií budí elektrické pole pouze jeden z nich a vytváří ohybové vibrace. Podobně může spojení dvou piezoelektrických keramických plátů s tenkým kovovým plátem nebo spojení keramického plátu s tenkým kovovým plátem také vytvořit tloušťku vibrací při ohybu. Rezonanční frekvence fr ohybového vibračního módu a délka listu. Vztah mezi celkovou tloušťkou t a lepicí vrstvou je fr = Nlttl2, kde Nlt je frekvenční konstanta. Režim vibrací v ohybu tloušťky je použitelný pro frekvenční rozsah 500 Hz až 100 kHz. Velikost takového vibrátoru je obecně šířka keramické desky l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5 t. Režim tloušťkové smykové vibrace se vyznačuje tím, že povrch elektrody je rovnoběžný se směrem polarizace a piezokeramická deska je vystavena smykové vibraci ve směru tloušťky působením střídavého elektrického pole. Režim tloušťkového smyku je relativně snadno vybuditelný a používá se hlavně ve vysokofrekvenčním rozsahu 10 až 60 kHz, který nebude podrobně popisován. V ultrazvukovém dálkoměru vysílá piezoelektrický měnič ultrazvukové vlny a amplituda vibrací vibrátoru je velká, takže režim ohybových vibrací je výhodnější. Současně, protože akustická impedance vzduchu je extrémně nízká, je nemožné, aby obecný piezoelektrický materiál dosáhl impedanční shody s ní, a proto musí být realizován pomocí přechodové vrstvy. Zjistilo se, že piezoelektrický keramický kus je spojen s tenkým kovovým kusem a Piezoelektrický ultrazvukový měnič se používá jako zdroj buzení pro generování režimu ohybové vibrace, který má velkou amplitudu a malou akustickou impedanci a může dosáhnout přizpůsobení akustické impedance vzduchu. . Tento výrobek je ve formě lepené struktury piezokeramických desek a tenkých kovových plechů.

 Tenké plechy mohou také fungovat jako ochranný film, který chrání piezoelektrickou keramiku a elektrody před opotřebením a poškozením. Materiál může být vybrán z vysoce stabilní slitiny niklu a chromu a titanu. Protože tenčí kov je tím vyšší, akustický tlak má vratnou propustnost, je kovový kus navržen tak, aby byl tenký, obecně asi 0,1 mm. Tvar a velikost vibrátoru v ultrazvukovém dálkoměru vyžaduje, aby přenášené ultrazvukové pole mělo tvar vějíře, s ohledem na použití obdélníkového vibrátoru jako zdroje vln. Pro kmitání pístu se používá zdroj obdélníkových vln délky L a šířky W a zvukové pole podélných vln vyzařované v plynném médiu je podobné jako u diskového zdroje. Hlavní paprsek záření je čtyřúhelníkový jehlan, je perspektivní pohled na směrový hlavní lalok obdélníkového zdroje vln. Ultrazvukový dálkoměr vysílá ultrazvukovou vlnu 36 kHz pro jednofrekvenční rozsah, to znamená, že rezonanční frekvence piezoelektrického keramického oscilátoru je 36 kHz. Tato frekvence nejen splňuje požadavky systému na rozsah detekce, přesnost a citlivost, ale také umožňuje vysílaným ultrazvukovým vlnám vyšší účinnost při šíření vzduchu. Výpočtem vzorce a experimentální korekcí je velikost piezoelektrického keramického obdélníkového vibrátoru určena jako: L=26,5 mm, W=11,2 mm, piezoelektrický měnič je navržen jako těsná struktura rezonance základní frekvence a plášť je vyroben z technického plastu. Může fixovat a chránit kovové a keramické lepicí fólie. Dva elektrodové kolíky jsou příslušně spojeny s elektrodou z kovu a keramického kusu prostřednictvím přívodních drátů a způsob připojení může být pájen pájkou nebo nízkoteplotním vodivým lepidlem.