Princip činnosti piezoelektrického keramického měniče

Přehled o piezoelektrické keramické měniče

Piezoelektrický keramický měnič se skládá z piezoelektrického keramického krystalu a dvou lehkých a těžkých kovů. Po polarizačním ošetření při určité teplotě má piezoelektrický efekt. Piezoelektrické keramické ultrazvukové měniče vstoupily do oblasti výzkumu lidí již dlouhou dobu. Snadno se vyrábí, má silnou ovladatelnost, vysokou citlivost a dobrou elektromechanickou vazbu. Převodníky  jsou  vyvinuty na bázi piezoelektrické keramiky včetně výkonových ultrazvukových převodníků a detekčních ultrazvukových převodníků.

Ultrazvuková technologie je široce používaná technologie nedestruktivního testování. Vychází z akustické teorie a neustále se používá v oblasti elektroniky, komunikací, medicíny, biologie a fyziky. V moderní detekční technologii si snímače vyvinuté pomocí ultrazvukové technologie získávají stále více pozornosti kvůli své vysoké citlivosti a vysoké přesnosti.

Běžně používané převodníky v procesu kontroly jsou piezokroužkové převodníky, magnetostrikční převodníky, elektromagnetické akustické převodníky a laserové převodníky. Nejčastěji se používá piezoelektrický měnič, jeho jádrovou součástí je piezoelektrický čip. Piezoelektrický plátek může být tlakem deformován, což vede k polarizaci samotného plátku a na povrchu plátku se objevují kladné a záporné vázané náboje. Tento efekt je piezoelektrický jev. Navíc je piezoelektrický jev reverzibilní, to znamená, že se deformuje, když je na destičku přivedeno napětí. V procesu detekce může ultrazvukový senzor generovat ultrazvukové vlny pomocí inverzního piezoelektrického efektu a použít piezoelektrický efekt k dosažení účelu přijímání ultrazvukových vln. Piezoelektrické keramické ultrazvukové měniče vstoupily do oblasti výzkumu lidí již dlouhou dobu. Snadno se vyrábí, má silnou ovladatelnost, vysokou citlivost a dobrou elektromechanickou vazbu. Převodníky vyvinuté na bázi piezoelektrické keramiky zahrnují výkonové ultrazvukové převodníky a detekční ultrazvukové převodníky.

Princip činnosti piezoelektrického keramického měniče

Princip piezoelektrických keramických měničů spočívá v tom, že při působení tlaku nebo tahu na keramiku pzt  se na obou koncích keramiky generují náboje opačné polarity a obvodem se generuje proud. Tento efekt se nazývá piezoelektrický jev. Pokud je měnič vyrobený z této piezoelektrické keramiky umístěn do vody, pak se působením zvukových vln indukují náboje na obou koncích měniče, který je přijímačem akustických vln. Piezoelektrický efekt je navíc reverzibilní. Pokud se na piezoelektrickou keramickou desku aplikuje střídavé elektrické pole, bude piezokeramická deska čas od času tenčí a tlustší a současně generuje vibrace a vydává zvukové vlny. Tím je problém ultrazvukového vysílače vyřešen.

Existují dva typy piezokeramické prstencové součásti  mag netostrikční kov a piezoelektrická keramika. Účelem tohoto článku je navrhnout měniče pro vysoce výkonné mechanické ultrazvukové obrábění, proto jsou diskutovány pouze piezoelektrické keramické měniče. Jako druh sítě pro přenos energie má piezoelektrický keramický měnič problém s účinností přeměny energie. Účinnost převodu souvisí s volbou materiálu měniče, formou vibrací, strukturou mechanického vibračního systému (včetně nosného mechanismu) a pracovní frekvencí. Při návrhu ultrazvukových měničů by proto měly být brány v úvahu různé faktory, jako je akustická impedance, frekvenční odezva, přizpůsobení impedance, akustická struktura, režim vibrací a konverzní materiály, stejně jako to, jak tyto faktory navrhnout a koordinovat, aby bylo dosaženo nejlepší hodnoty elektroakustické konverze.

Piezoelektrický keramický měnič je elektronický keramický materiál s piezoelektrickými charakteristikami. Hlavní rozdíl od typického piezoelektrického křemenného krystalu, který neobsahuje feroelektrické složky, je ten, že krystalové fáze, které tvoří jeho hlavní složky, jsou feroelektrická krystalová zrna. Protože piezokeramika jsou polykrystalické agregáty s náhodně orientovanými zrny, spontánní polarizační vektor každého feroelektrického zrna je také dezorientovaný. Aby piezokeramika vykazovala makro piezoelektrické vlastnosti, musí být piezoelektrická keramika po vypálení polarizována v silném stejnosměrném elektrickém poli a čelní plocha je vystavena působení více s elektrod, takže polarizační vektor původní orientace poruchy je přednostně orientován ve směru elektrického pole. Po polarizačním ošetření si piezoelektrická keramika zachová určitou makro zbytkovou polarizační intenzitu, takže keramika má určitý tlak.

Aplikace piezoelektrického keramického měniče

Vzhledem k bezkontaktním výhodám ultrazvukové technologie zkuste aplikovat piezoelektrické keramické ultrazvukové převodníky do systému detekce koncentrace kapaliny. Čip v systému využívá FPGA řady Spartan 3E. Piezoelektrický keramický měnič hraje důležitou roli při vysílání a příjmu signálů. Ultrazvukový signál o určité frekvenci a amplitudě generovaný převodníkem je veden do kapaliny přes vysílací obvod. Poté, co je signál zeslaben kapalinou, lze z přijímacího snímače přijímat signál s informací o koncentraci kapaliny. Prostřednictvím analýzy metody tlumení zvuku se efektivně získá přibližná koncentrace kapaliny. Softwarový návrh systému zahrnuje hlavní program, program ultrazvukového měření, program pro řízení pulsů, program pulsního transceiveru, program řízení akvizice ADC a program hodin a alarmů.

V experimentu lze nejprve změřit statickou kapalinu, k analýze signálu shromážděného na přijímacím konci se použije metoda ultrazvukového útlumu, zpracuje se obálka a informace o koncentraci se získá kombinací cesty šíření signálu (průměr trubky). Poté se provede dynamické měření dynamické kapaliny a cesta šíření signálu musí vzít v úvahu rychlost proudění kapaliny pro výpočet přibližné cesty.