Teknisk princip og anvendelse af ultralydsområdetransducer

         Teknisk princip og anvendelse af ultralydsområdetransducer

Ultralydstransducere er sensorer udviklet ved hjælp af egenskaberne for ultralydsbølger. Ultralyd er en mekanisk bølge med en højere vibrationsfrekvens end lydbølger, som genereres af vibrationen fra transducerchippen under excitation af spænding. Det har høj frekvens, kort bølgelængde, lille diffraktionsfænomen, især god retningsbestemthed, og kan orienteres som strålespredningskarakteristika. Ultralyd har en stor gennemtrængningsevne til væsker og faste stoffer, især i faste stoffer, der er uigennemsigtige for sollys, kan den trænge ned til en dybde på snesevis af meter. Ultralydsbølger vil producere betydelige refleksioner, når de støder på urenheder eller grænseflader for at danne ekkoer, og når de støder på objekter i bevægelse, vil de producere Doppler-effekter. Derfor er ultralydsdetektion meget udbredt i industri, nationalt forsvar, biomedicin mv. Ultralydstransducer til afstand bruges som detektionsmetode, og ultralydsbølger skal genereres og modtages. Enheden, der fuldender denne funktion, er en ultralydssensor, som sædvanligvis kaldes en medicinsk enhed, eller en ultralydssonde.

De ultralydstransducersonden er hovedsageligt sammensat af piezoelektrisk keramik, som både kan transmittere og modtage ultralydsbølger. Ultralydsonder med lav effekt bruges mest til detektion. Den har mange forskellige strukturer, som kan opdeles i lige sonde (langsgående bølge), skrå sonde (forskydningsbølge), overfladebølgesonde (overfladebølge), Lammebølgesonde (Lammebølge), dobbeltsonde (én sonderefleksion, én sondemodtagelse) vente.

Kernen i en ultralydsniveautransducer er en piezoelektrisk keramik i sin plastik- eller metalkappe. Der er mange slags materialer, der udgør waferen. Størrelsen af ​​chippen, såsom diameter og tykkelse, er også forskellig, så ydeevnen af ​​hver sonde er forskellig, og vi skal kende dens ydeevne på forhånd, før vi bruger den. De vigtigste præstationsindikatorer for ultralydssensorer inkluderer:

(1) Arbejdsfrekvens. Driftsfrekvensen for ultralydsafstandstransduceren er resonansfrekvensen for den piezoelektriske keramiske krystal. Når frekvensen af ​​AC-spændingen påført dens to ender er lig med chippens resonansfrekvens, er udgangsenergien den største, og følsomheden er den højeste.

(2) Arbejdstemperatur. Da curie-punktet for det piezoelektriske materiale generelt er relativt højt, især når kraften af ​​den piezoelektrisk ultralydssonde til diagnose er relativt lille, arbejdstemperaturen er relativt lav, og den kan fungere i lang tid uden fejl. Temperaturen på den ultralydssonde, der anvendes i den medicinske behandling, er relativt høj, og der kræves en separat køleanordning.

(3) Følsomhed. Meget afhænger af at lave selve waferen. Jo større den elektromekaniske koblingskoefficient, jo højere er følsomheden; ellers, jo lavere følsomhed.

Struktur og arbejdsprincip

Når der påføres spænding til piezoelektrisk keramisk transducer , mekanisk deformation vil forekomme med ændringer i spænding og frekvens. På den anden side, når den piezoelektriske keramik vibreres, genereres en elektrisk ladning. Ved at udnytte dette princip vil der, når et elektrisk signal påføres en vibrator bestående af to piezoelektriske keramik eller en piezoelektrisk keramik og en metalplade, det såkaldte bimorfe element, blive udsendt ultralydsbølger på grund af bøjningsvibrationer. I stedet, når ultralydsvibrationer påføres det bimorfe element, genereres et elektrisk signal. Baseret på ovenstående effekter kan piezoelektrisk keramik bruges som ultralydssensorer.

Som en ultralydstransducer er en kompositvibrator fleksibelt fastgjort på basen. Den sammensatte vibrator er en kombination af en resonator og en bimorf elementvibrator bestående af en metalplade og en piezoelektrisk keramisk plade. Resonatoren er i form af en trompet, formålet er effektivt at udstråle de ultralydsbølger, der genereres af vibrationer, og effektivt at fokusere ultralydsbølgerne på den vigtigste del af vibratoren.

Ultralydstransducer til udendørs brug skal have god tætning for at forhindre indtrængen af ​​dug, regn og støv. Piezoelektrisk keramik er fastgjort på indersiden af ​​toppen af ​​metalboksen. Basen er fastgjort til den åbne ende af kassen og dækket med harpiks. For ultralydssensorer, der bruges i industrirobotter, skal tykkelsen nå 1 mm, og den har stærk ultralydsstråling.

Det er umuligt at opnå dette ved frekvenser højere end 70 kHz ved at bruge bøjningsvibrationen fra en konventionel bimorfe elementvibrator. Derfor skal der ved højfrekvent detektion anvendes piezoelektrisk keramik med lodret tykkelse vibrationstilstand. I dette tilfælde bliver matchningen af ​​den akustiske impedans af piezoelektrisk keramik og luft meget vigtig. Den akustiske impedans af piezoelektrisk keramik er 2,6×107 kg/m2s, mens den akustiske impedans af luft er 4,3×102kg/m2s. Forskelle i kræfter på 5 fører til betydelige tab ved den piezokeramiske vibrerende udstrålende overflade. Et specielt materiale klæbet til den piezoelektriske keramik fungerer som et akustisk matchende lag, der matcher luftens akustiske impedans. Denne struktur kan gøre det muligt for ultralydssensoren at fungere normalt, selv når frekvensen er så høj som hundredvis af kHz.