Anvendelse af piezoelektrisk keramik brugt i ultralydsafstandstransducer

I de sidste 20 år,piezoelektriske krystal omkostninger har udviklet sig hurtigt i ind-og udland. På grund af deres fordele ved enkel produktion, lave omkostninger og gode stabilitet, er de blevet meget brugt inden for elektronik, lys, varme og akustik og har et bredt sortiment. Ultralydstransducere er lavet af piezoelektrisk keramik, som kan producere ultralydsbølger med god retningsbestemmelse. De er ideelle til måling af parametre som hastighed og distance og kan arbejde stabilt og pålideligt under de barske miljøforhold.

Om ultralydsafstandsanordningen refererer ultralyd til lydbølger med en frekvens højere end 20 kHz, hvilket er en mekanisk bølge. På grund af sin gode retningsbestemmelse og tolerance over for miljøet, bruges den i momentmålingsteknologi. Ultralydsafstandsanordning er en berøringsfri afstandsmålingsteknik. Metoderne omfatter hovedsageligt pulsmetode, fasemetode og frekvenskonverteringsmetode. Ultralydsafstandsanordning bruger hovedsageligt pulsmetoden. Pulsmetoden bestemmer direkte afstandsværdien ved at måle den tid, i hvilken bærepulssignalet bevæger sig frem og tilbage over den afstand, der skal måles. Formlen for piezopladeenergigenerering er D=Vt2D/2, hvor D er afstanden, der skal måles; V er udbredelseshastigheden af ​​bæreren i luft; t2D er transportørens tur-retur tid. Pulsmetodens nøjagtighed påvirkes af nøjagtigheden af ​​tidsmålingen, og nøjagtigheden af ​​tidsmålingen påvirkes af oscillationsfrekvensen. Hvis ultralydsbølgen bruges som bærer, og afstandsmålenøjagtigheden er D≤1cm, kræves det, at tidstestnøjagtigheden er t≤5,9×10-5s, det vil sige, så længe oscillationsfrekvensen når 1,7×104 Hz, er dette meget nemt at implementere.

Piezoelektriske ultralydstransducere er lavet ved at bruge den piezoelektriske effekt af piezoelektriske materialer. Det polariserede piezoelektriske materiale gennemgår mekanisk deformation under påvirkning af et påført elektrisk felt. Dette kaldes den omvendte piezoelektriske effekt. Omvendt giver den mekaniske deformation af det piezoelektriske materiale også en spænding, som kaldes den positive piezoelektriske effekt. Ved at bruge den omvendte piezoelektriske effekt kan højfrekvente spænding omdannes til højfrekvente mekaniske vibrationer for at generere ultralydsbølger; den positive piezoelektriske effekt kan også bruges til at konvertere den modtagende ultralydsvibration til et elektrisk signal. Sådan fungerer ultralydstransduceren. Piezoelektriske ultralydstransducere kan ses som netværk med fire terminaler med elektriske og mekaniske ender.

Valget af piezoelektriske materialer piezoelektriske plader er, at piezoelektriske materialer til fremstilling af ultralydstransducere inkluderer piezoelektriske enkeltkrystaller, polykrystallinsk piezoelektrisk keramik, piezoelektriske højpolymerer og piezoelektriske kompositmaterialer. Blandt dem har bly zirconate titanat piezoelektrisk keramik fordelene ved høj mekanisk styrke, temperatur- og fugtighedsbestandighed, lave omkostninger og god elektromekanisk koblingseffekt og er blevet meget brugt i ultralydstransducere. Ultralydstransduceren i ultralydsafstandsmåleren bruger bly zirconate titanat piezoelektrisk keramik som vibratormateriale.

Hvis to aflange piezoelektrisk skive piezoelektrisk krystal af samme tykkelse og polariseret er bundet sammen, bøjningsvibrationer kan genereres, når et spændende elektrisk felt påføres for at få det til at blive forlænget og det andet forkortes. De to piezo keramiske plader, der er bundet, er polariseret i modsatte retninger og er forbundet i serie til strømforsyningen; de parallelle forbindelsestilstande for de to piezokeramiske plader med samme polarisationsretning er vist. I to piezo-keramiske klæbende plader exciterer det elektriske felt kun én af dem for at frembringe bøjningsvibrationer. Tilsvarende kan binding af to piezoelektriske keramiske plader til en tynd metalplade eller binding af en keramisk plade til en tynd metalplade også frembringe en bøjningsvibrationstykkelse. Resonansfrekvensen fr af bøjningsvibrationstilstanden og længden af ​​pladen . Forholdet mellem den samlede tykkelse t og klæbelaget er fr = Nlttl2, hvor Nlt er en frekvenskonstant. Tykkelsebøjningsvibrationstilstanden er anvendelig til et frekvensområde på 500 Hz til 100 kHz. Størrelsen af ​​en sådan vibrator er generelt bredden af ​​den keramiske plade ,l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5t. Tykkelsesforskydningsvibrationstilstanden er kendetegnet ved, at elektrodeoverfladen er parallel med polarisationsretningen, og den piezokeramiske plade udsættes for forskydningsvibrationer i tykkelsesretningen under påvirkning af et vekslende elektrisk felt. Tykkelsesforskydningstilstanden er relativt let at blive ophidset og bruges hovedsageligt i højfrekvensområdet på 10 til 60 kHz, som ikke vil blive beskrevet i detaljer. I ultralydsafstandsmåleren udsender den piezoelektriske transducer ultralydsbølger, og amplituden af ​​vibratorvibrationen er stor, så bøjningsvibrationstilstanden er at foretrække. På samme tid, fordi den akustiske impedans af luft er ekstremt lav, er det umuligt for et generelt piezoelektrisk materiale at opnå impedanstilpasning med det, og det skal derfor realiseres ved hjælp af et overgangslag. Det viser sig, at det piezoelektriske keramiske stykke er bundet til det tynde metalstykke, og piezoelektrisk transducer ultralyd bruges som excitationskilde til at generere en bøjningsvibrationstilstand, som har en stor amplitude og en lille akustisk impedans og kan opnå akustisk impedanstilpasning med luft. . Denne artikel er i form af en bundet struktur af piezokeramiske plader og tynde metalplader.

 De tynde metalplader kan også fungere som en beskyttende film for at beskytte den piezoelektriske keramik og elektroder mod slid og beskadigelse. Materialet kan vælges fra højstabil nikkel chrom titanlegering. Da det tyndere metal er jo højere, lydtrykket er frem- og tilbagegående transmittans, er metalstykket designet til at være tyndt, generelt omkring 0,1 mm. Formen og størrelsen af ​​vibratoren i ultralydsafstandsmåleren kræver, at det transmitterede ultralydsfelt er vifteformet, i betragtning af brugen af ​​en rektangulær vibrator som bølgekilde. En rektangulær bølgekilde med længde L og bredde W bruges til stempelvibration, og det langsgående bølgelydfelt udstråles i gasmediet ligner skivekilden. Hovedstrålen af ​​strålingen er en firkantet pyramide, er et perspektivbillede af den retningsbestemte hovedlob af den rektangulære bølgekilde. Ultralydsafstandsmåleren udsender en 36 kHz ultralydsbølge til enkeltfrekvensområde, det vil sige, at resonansfrekvensen af ​​den piezoelektriske keramiske oscillator er 36 kHz. Denne frekvens opfylder ikke kun systemets krav til detektionsområde, nøjagtighed og følsomhed, men gør også, at de transmitterede ultralydsbølger har højere effektivitet i luftudbredelsen. Gennem formelberegningen og eksperimentel korrektion bestemmes størrelsen af ​​den piezoelektriske keramiske rektangulære vibrator som: L=26,5 mm, B=11,2 mm, den piezoelektriske transducer er designet som en tæt struktur af grundlæggende frekvensresonans, og skallen er lavet af ingeniørplast. Det kan fikse og beskytte metal og keramiske klæbende plader. De to elektrodestifter er forbundet til henholdsvis metallets elektrode og det keramiske stykke gennem ledningstrådene, og forbindelsesmåden kan loddes med lodde eller lavtemperaturledende lim.