Parametry piezoelektrických materiálů a piezoelektrické rovnice (3)

(11) Mechanický činitel jakosti Qm

Když PZT materiál piezokeramika se používá pro rezonanční kmitání, je nutné překonat vnitřní mechanickou ztrátu třením (vnitřní spotřebu) a při zátěži je nutné překonat vnější zátěžovou ztrátu. S těmito mechanickými ztrátami souvisí faktor mechanické kvality Qmo (hodnota mechanického Q naprázdno). A Qm (mechanická hodnota Q při zatížení). Je definována jako: Qm = mechanická energie uložená piezoelektrickým vibrátorem při rezonanci / ztráta mechanické energie během doby rezonance. Odráží množství energie spotřebované piezoelektrickým tělesem k překonání mechanických ztrát, když vibruje. Větší Qm znamená menší ztráty mechanické energie. Existence Qm také naznačuje, že je nemožné, aby jakýkoli piezoelektrický materiál využil veškerou vstupní mechanickou energii pro výstup. Při rezonanci: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], kde ZC je akustická impedance piezoelektrického vibrátoru; Zl je akustická impedance zátěže; Zb je tlumicí blok v akustické impedanci piezoelektrického měniče. U piezoelektrického měniče nejsou jeho Qm a Qe konstantní. Vztahují se k pracovní frekvenci, šířce frekvenčního pásma, výrobnímu procesu, struktuře a radiačnímu médiu (zátěži) piezoelektrického měniče. Na piezoelektrickém měniči používaném v technologii ultrazvukové detekce, když je Qm příliš vysoké, je snadné prodloužit tvar vlny vibrací generovaný vibrátorem (fenomén zvonění), což má za následek zkreslení tvaru vlny a nižší rozlišení. Podobně Qe není větší a větší. Volba a stanovení Qm a Qe by se mělo rozhodnout podle skutečných potřeb. Velká hodnota Q znamená, že spotřeba energie je při piezoelektrickém jevu malá. Může snížit množství generovaného tepla v případě vysokovýkonových a vysokofrekvenčních aplikací nebo aplikací čistého vysílacího výkonu, což je výhoda. Avšak pro převodník pro účely detekce je velká hodnota Q nevýhodná pro rozšíření frekvenčního pásma, zlepšení tvaru vlny a zvýšení rozlišení. Kromě toho, protože se hodnota Q mění také s povahou zátěže (například zátěžové médium, kterému čelí vodní ponorná sonda a sonda kontaktní metody, je odlišné), musí být při návrhu převodníku zohledněn také vliv zátěžového média (radiační impedance ).

(12)Elektromechanický vazební koeficient K
Jedná se o důležitý parametr pro zkoumání piezoelektrických materiálů z hlediska energie. Jeho definice je při kladném piezoelektrickém jevu, vnější napětí E = 0 a jsou: K2 = elektrická energie uložená v piezoelektrickém tělese za ideálních podmínek ideální . Celková mechanická energie vložená do piezoelektrického tělesa za podmínek, nebo jinými slovy: K2 = přeměněná mechanická energie, která způsobuje pohyb náboje mezi připojenými elektrodami / vstupní mechanická energie, která následuje po aplikovaném napětí, K2 vnější napětí τ při aplikovaném napětí ano, opačné vnější napětí τ při působení napětí: piezoelektrické těleso za ideálních podmínek / celkový vstup elektrické energie do piezoelektrického tělesa za ideálních podmínek aneb: K2 = přeměněná elektrická energie způsobující mechanické namáhání / vstupní elektrická energie pod tlakem tranzistory mají elasticitu, dielektriku i piezoelektřinu zároveň a spolupracují. Z tohoto důvodu je nutné zavést tuto fyzikální veličinu, abychom na tyto charakteristiky nahlíželi jednotným způsobem, který udává stupeň pevnosti vazby mezi mechanickou energií a elektrickou energií. Ve fyzikálním smyslu pouze popisuje konverzi a nejedná se o stejnou účinnost a přeměněná energie nemusí být zcela přeměněna na energii vyzařovanou nebo výstupní (včetně vnitřní spotřeby a zpětné vazby atd.). Samozřejmě v jistém smyslu lze také říci, že elektromechanický vazební koeficient K představuje 'účinnost' piezoelektrického tělesa přeměňujícího elektrickou energii na energii elastickou, neboli přeměňující elastickou energii na energii elektrickou. Je to dáno především typem piezoelektrického materiálu. Závisí také na vibračním režimu piezoelektrického tělesa, ale nemá nic společného s hodnotou rezonanční frekvence měniče. Kromě toho hodnota K závisí také na struktuře piezoelektrického měniče, provozních podmínkách a velikosti elektrody a poloze piezoelektrického tělesa. Hustotu energie U (energie v jednotkovém objemu) piezoelektrických materiálů můžeme rozdělit na tři části, jedna je hustota elastické energie, jedna je hustota energie elektrického pole (hustota dielektrické energie) a jedna je hustota energie piezoelektrické výměny Um (vynecháme položky tepelné a magnetické energie).

První část je zde mechanická část materiálně-mechanické elastické energie, druhá část piezokeramických prstencových komponent je elektrická část - energie elektrického pole a třetí část je energetická hustota interakce mezi elastickou energií a dielektrickou energií. Celková vnitřní energie je: U = Ue + Ud + 2Um. Vzhledem k tomu, že piezoelektrická energie je zaměnitelná energie, je dvojnásobná. Můžeme tedy definovat koeficient elektromechanické vazby jiným způsobem: K = Um / ( UeUd) 1/2. Nebo: K = geometrická střední hodnota piezoelektrické energie / elastická energie a dielektrická energie. Důvodem pro výběr geometrické střední hodnoty elastické energie a dielektrické energie je uvažování nerovnoměrného rozložení energie každé nepatrné části piezoelektrického krystalu. Tímto způsobem můžeme říci, že poměr energie, kterou lze piezoelektricky převést na jednotku objemu piezoelektrického materiálu, je elektromechanický vazební koeficient. Například Ud a Ue nemohou být piezoelektricky přeměněny, ale není to ztráta energie. U specifických materiálů, jako je křemen, je ztráta energie malá a účinnost konverze je velmi vysoká, ale její elektromechanický vazební koeficient je nižší než u piezoelektrické keramiky, zatímco účinnost konverze u piezoelektrické keramiky není vysoká. Velká část může být piezoelektricky přeměněna, což znamená, že její elektromechanický vazebný koeficient je vysoký. Odtud můžeme rozpoznat rozdíl mezi koeficientem elektromechanické vazby a účinností. Koeficient elektromechanické vazby je poměr energie, bezrozměrný, a jeho maximální hodnota je 1, když K = 0, znamená to, že nedochází k piezoelektrickému jevu. Běžné elektromechanické vazebné koeficienty jsou následující:

(1) Elektromechanický vazební koeficient Kp pro radiální vibrace (také známý jako planární elektromechanický vazebný koeficient): Odráží elektromechanický vazebný efekt tenkého diskovitého piezoelektrického krystalu, když je vystaven radiálním teleskopickým vibracím, za předpokladu, že průměr plátku je ≥ 3násobek tloušťky plátku t, jeho směr tloušťky je směr polarizace a směr použitého elektrického pole.

(2) Koeficient elektromechanické vazby K31 příčné vibrace (vibrace příčné délky) odráží účinek elektromechanické vazby, když se dlouhý piezoelektrický krystal ve tvaru listu se směrem tloušťky jako směrem polarizace natahuje a smršťuje ve směru délky, za předpokladu, že délka listu je l≥3krát. Šířka a tloušťka vloček.

(3) Koeficient elektromechanické vazby K33 podélných vibrací (vibrace podélné délky): odráží elektromechanický vazebný účinek teleskopických vibrací v podélném směru, když je štíhlý piezoelektrický krystal ve tvaru tyče polarizován ve směru tloušťky a směr elektrického pole je stejný jako směr polarizace. Podmínkou je šířka a tloušťka tyče nebo průměr s délkou l≥3krát.

(4) Elektromechanický vazebný koeficient Kt vibrací tloušťky: odráží elektromechanický vazebný efekt listových piezoelektrických krystalů polarizovaných ve směru tloušťky a směr elektrického pole je také ve směru tloušťky. Podmínkou je, aby tloušťka plátku byla menší než délka strany nebo průměr plátku.

(5) Elektromechanický vazebný koeficient tloušťkové smykové vibrace K15: Odráží elektromechanický vazebný efekt tloušťkové smykové vibrace piezoelektrického krystalu.

V souhrnu můžeme dojít k závěru, že hlavní principy výběru při výběru piezoelektrických materiálů pro výrobu piezoelektrických měničů v praktických aplikacích ultrazvukového testování jsou následující: (1) Čím větší je hodnota d33--d33, tím lepší je emisní výkon. . Je zřejmé, že při výrobě vysílacího snímače je lepší zvolit materiál s co největší hodnotou d33; (2) Čím větší je hodnota g33--g33, tím lepší je výkon příjmu. Je zřejmé, že pokud chcete vyrobit přijímací snímač, měli byste si vybrat materiál s co největší hodnotou g33; když potřebujete vyrobit převodník, který kombinuje jak vysílání, tak příjem, jako komplexní úvahu byste měli zvolit hodnotu blízkou a stejně velkou jako d33 a g33. (3) Akustická impedance Z (Z = ρc) - Uvážíme-li, že odrazivost a propustnost ultrazvukových vln souvisí s rozdílem akustické impedance mezi prostředím. čím menší rozdíl v akustické impedanci, tím vyšší propustnost ultrazvuku. Aby se do testovacího média dostalo co nejvíce ultrazvukových vln z piezoelektrického měniče, měl by být zvolen piezoelektrický materiál, jehož akustická impedance je co nejblíže akustické impedanci kontaktního média. Je třeba poznamenat, že existence elektrického pole ovlivní zdánlivou rychlost zvuku v piezoelektrickém materiálu a dokonce i akustická impedance piezoelektrického materiálu se v pracovním stavu změní. (4) Elektromechanický vazební koeficient Kt vibrací tloušťky-V technologii ultrazvukové detekce je nejdůležitější aplikací piezoelektrický čip typu vibrací tloušťky, takže čím větší je hodnota Kt, tím lepší je výkon elektromechanické konverze, čímž je citlivost snímače vyšší. (5) Koeficient elektromechanické vazby Kp radiálních vibrací -- Když piezoelektrický čip provádí vibrace tloušťky, dochází současně k radiálním vibracím, které budou interferovat s vibracemi tloušťky a způsobí zkreslení tvaru vlny, zvýšení nebo zvýšení hluku atd. Doufáme, že hodnota Kp by měla být co nejmenší. Obecně platí, že čím větší je hodnota Kt/Kp, tím lépe.

(6) Dielektrická konstanta ε – Piezoelektrický plátek tvoří kondenzátor poté, co jsou elektrody potaženy, a jeho kapacita odpovídá C = εA / t, to znamená dielektrická konstanta ε, relativní plocha A elektrod a vzdálenost elektrod (tloušťka plátku) t. V obvodu malá kapacita znamená velkou kapacitní reaktanci, kterou je vhodné použít jako vysokofrekvenční piezoelektrický prvek. Konkrétně ultrazvukový detekční měnič většinou pracuje v megahertzovém frekvenčním rozsahu, takže je požadováno, aby ε piezoelektrického materiálu bylo menší. Naopak, při výrobě nízkofrekvenčních piezoelektrických součástek (jako jsou reproduktory a mikrofony ve zvukovém rozsahu) by měl být vybrán materiál s velkým ε, aby vyhovoval odpovídajícím požadavkům na velkou kapacitu a nízkou kapacitní reaktanci. Je třeba poznamenat, že hodnota ε také souvisí s mechanickou volností převodníku, to znamená, že dielektrické konstanty mechanického sevřeného stavu a mechanického volného stavu jsou různé, takže existují rozdíly mezi εe a ετ. Kromě toho je vztah mezi ε a frekvencí také citlivější, takže hodnota ε by měla být skutečně měřena za podmínek konkrétní provozní frekvence. To znamená, že piezoelektrické destičky stejné tloušťky mají vyšší rezonanční frekvenci, nebo tloušťka destičky je větší při stejné rezonanční frekvenci, což je výhodné pro zpracování a výrobu vysokofrekvenčních součástek. Proto by měl být vybrán materiál s větší hodnotou Nt.

(8) Feroelektrický Curieův bod Tc – Feroelektrický krystal má feroelektřinu pouze v určitém teplotním rozsahu. Když teplota dosáhne feroelektrického Curieova bodu, krystal ztratí feroelektřinu a dielektrické, piezoelektrické, optické, elastické a tepelné vlastnosti jsou abnormální. Většina feroelektrik má pouze jeden Curieův bod, ale několik feroelektrik má horní a dolní Curieův bod a mají feroelektriku pouze v teplotním rozsahu mezi horním a dolním Curieovým bodem. Například horní Curie bod zirkoničitanu titanátu olovnatého je 115-120 °C a spodní Curie bod je -5 °C. Pokud se k titaničitanu barnatému přidá 5 % titaničitanu vápenatého, může spodní bod Curie dosáhnout -40 °C. Některá feroelektrika navíc nemají žádný Curieův bod, jako například některé speciální polymerní piezoelektrické materiály (protože se při dosažení určité teploty roztavily nebo dokonce spálily).

Je třeba poznamenat, že když skutečná teplota nedosáhla Curieova bodu, výkon mnoha piezoelektrických měničů (jako je Kt atd.) se výrazně snížil nebo zhoršil (například sonda s titaničitanem barnatým se zhoršuje při 60-70 ° C) Navíc nejvyšší teplota, při které může pracovat, není rovna schopnosti odolat náhlým teplotním změnám, které jsou způsobeny anizotropním koeficientem. Proto v případě vyšších teplot jako jsou přívody svařovacích elektrod a zahřívání při lití absorpčního bloku během vlastního používání snímače a procesu výroby snímače, Při výběru piezoelektrického materiálu je třeba věnovat zvláštní pozornost provozním podmínkám snímače.

(9) Mechanický činitel jakosti Qm a činitel elektrické kvality Qe – V praktických aplikacích, pokud jsou hodnoty Qm a Qe velké, dojde k jevu „zvonění“, jehož výsledkem je zkreslení tvaru vlny a snížené rozlišení, což není vhodné pro detekci. Situace nastává. Proto, počínaje potřebami detekční technologie, aby se skutečně odrážely charakteristiky signálu ozvěny a zajistilo se, že rozlišení detekce splňuje požadavky detekce, se obecně neočekává, že by Qm a Qe byly příliš velké. Kromě zohlednění při výběru materiálů, při navrhování a výrobě měničů je třeba vhodně snížit hodnoty frekvence, Qm a Qe zvýšením tlumení na konstrukci a změnou impedance na obvodu. Snížení hodnot Qm a Qe jde samozřejmě na úkor citlivosti (snížení výstupního výkonu). Proto by měla být vybrána vhodná hodnota Q a upravena podle potřeb aktuální aplikace (podle zkušeností by skutečná hodnota Q ultrazvukového detekčního převodníku neměla být větší než 10).

(10) Stárnutí piezoelektrických materiálů piezokeramická válcová trubice - Piezoelektrické vlastnosti polarizovaných piezoelektrických materiálů se budou časem nevratně měnit. Tento jev se nazývá 'stárnutí', jako je dielektrická konstanta, dielektrické ztráty, piezoelektrické konstanty, elektromechanické vazební koeficienty a elasticita obvykle s časem klesají a frekvenční konstanty a mechanické hodnoty Q s časem rostou. Změna těchto parametrů je v zásadě lineární s logaritmickou hodnotou času. Obecně je považována za jednotku deseti let, která se nazývá 'desetileté stárnutí'. Je zřejmé, že tento index odráží časovou stabilitu piezoelektrických materiálů. Při výrobě piezoelektrických měničů je třeba věnovat náležitou pozornost také výběru materiálů s lepší časovou stabilitou. Na konkrétním ultrazvukovém měniči se tento jev stárnutí specificky projeví v citlivosti, počátečním obsazení vln a hladině elektrického šumu. Proto je třeba věnovat pozornost také vlivu stárnutí na nákup a skladování snímače.

(11) Tepelná stabilita piezoelektrických materiálů-Týká se piezoelektrických vlastností piezoelektrických materiálů, které jsou konstantní nebo nedegradované po období nepřetržitého provozu v určitém teplotním rozsahu pod Curieovým bodem, zejména pro prostředí s vysokou teplotou. Pracovní měnič by měl být vybrán z materiálů s dobrou tepelnou stabilitou.
Výše uvedených 11 položek jsou hlavní úvahy a principy výběru, když vybíráme piezoelektrické materiály pro výrobu ultrazvukových testovacích měničů. Měli bychom komplexně zvážit a vhodně vybrat podle konkrétní aplikace a potřeb.