کاربرد سرامیک پیزوالکتریک مورد استفاده در مبدل التراسونیک فاصله

در 20 سال گذشته،هزینه کریستال پیزوالکتریک به سرعت در داخل و خارج از کشور توسعه یافته است. به دلیل مزایای تولید ساده، هزینه کم و پایداری خوب، در زمینه های الکترونیک، نور، گرما و آکوستیک بسیار مورد استفاده قرار گرفته اند و دارای طیف گسترده ای هستند. مبدل های اولتراسونیک از سرامیک های پیزوالکتریک ساخته شده اند که می توانند امواج اولتراسونیک با جهت دهی خوب تولید کنند. آنها برای اندازه گیری پارامترهایی مانند سرعت و مسافت ایده آل هستند و می توانند در شرایط سخت محیطی پایدار و قابل اعتماد کار کنند.

در مورد دستگاه محدوده فراصوت، اولتراسونیک به امواج صوتی با فرکانس بالاتر از 20 کیلوهرتز گفته می شود که یک موج مکانیکی است. به دلیل جهت گیری خوب و تحمل آن نسبت به محیط، در فناوری اندازه گیری گشتاور استفاده می شود. دستگاه سنجش التراسونیک یک تکنیک محدوده گیری غیر تماسی است. روش ها عمدتاً شامل روش پالس، روش فاز و روش تبدیل فرکانس است. دستگاه محدوده التراسونیک عمدتا از روش پالس استفاده می کند. روش پالس مستقیماً مقدار فاصله را با اندازه‌گیری زمانی که سیگنال پالس حامل در مسافتی که باید اندازه‌گیری می‌شود به جلو و عقب حرکت کند، تعیین می‌کند. فرمول از تولید انرژی صفحه پیزو D=Vt2D/2 است که در آن D فاصله ای است که باید اندازه گیری شود. V سرعت انتشار حامل در هوا است. t2D زمان رفت و برگشت حامل است. دقت روش پالس تحت تأثیر دقت اندازه گیری زمان و دقت اندازه گیری زمان تحت تأثیر فرکانس نوسان است. اگر از موج اولتراسونیک به عنوان حامل استفاده شود و دقت اندازه‌گیری فاصله D≤1 سانتی‌متر باشد، دقت تست زمان باید t≤5.9×10-5s باشد، یعنی تا زمانی که فرکانس نوسان به 1.7×104 هرتز برسد، اجرای این امر بسیار آسان است.

مبدل های اولتراسونیک پیزوالکتریک با استفاده از اثر پیزوالکتریک مواد پیزوالکتریک ساخته می شوند. مواد پیزوالکتریک قطبی شده تحت تأثیر میدان الکتریکی اعمال شده تحت تغییر شکل مکانیکی قرار می گیرند. این اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می شود. برعکس، تغییر شکل مکانیکی ماده پیزوالکتریک نیز ولتاژی ایجاد می کند که به آن اثر پیزوالکتریک مثبت می گویند. با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس، ولتاژ فرکانس بالا را می توان به ارتعاش مکانیکی با فرکانس بالا برای تولید امواج اولتراسونیک تبدیل کرد. از اثر پیزوالکتریک مثبت نیز می توان برای تبدیل ارتعاش اولتراسونیک دریافتی به سیگنال الکتریکی استفاده کرد. مبدل اولتراسونیک اینگونه کار می کند. مبدل های اولتراسونیک پیزوالکتریک را می توان به عنوان شبکه های چهار ترمینالی با انتهای الکتریکی و مکانیکی مشاهده کرد.

انتخاب مواد پیزوالکتریک صفحات پیزو الکتریکی عبارتند از مواد پیزوالکتریک برای ساخت مبدل های اولتراسونیک شامل تک کریستال های پیزوالکتریک، سرامیک های پیزوالکتریک پلی کریستال، پلیمرهای پیزوالکتریک بالا و مواد کامپوزیت پیزوالکتریک. در میان آنها، سرامیک های پیزوالکتریک تیتانات زیرکونات دارای مزایای استحکام مکانیکی بالا، مقاومت در برابر دما و رطوبت، هزینه کم و اثر جفت الکترومکانیکی خوب هستند و به طور گسترده در مبدل های اولتراسونیک استفاده می شوند. مبدل اولتراسونیک در محدوده یاب اولتراسونیک از سرامیک پیزوالکتریک تیتانات سرب زیرکونات به عنوان ماده ویبره استفاده می کند.

اگر دو تا کشیده کریستال پیزوالکتریک دیسک پیزوالکتریک با ضخامت یکسان و پلاریزه به هم متصل می‌شوند، ارتعاش خمشی می‌تواند زمانی ایجاد شود که یک میدان الکتریکی هیجان‌انگیز اعمال شود تا باعث کشیده شدن و کوتاه شدن دیگری شود. دو ورق سرامیکی پیزو که به هم متصل شده اند در جهت مخالف قطبی شده اند و به صورت سری به منبع تغذیه متصل می شوند. حالت های اتصال موازی دو ورق سرامیکی پیزو با جهت قطبش یکسان نشان داده شده است. در دو ورق چسب سرامیکی پیزو، میدان الکتریکی تنها یکی از آنها را برای ایجاد ارتعاش خمشی تحریک می کند. به طور مشابه، اتصال دو ورق سرامیکی پیزوالکتریک به یک ورق فلزی نازک، یا چسباندن یک ورق سرامیکی به یک ورق فلزی نازک نیز می‌تواند ضخامت ارتعاش خمشی ایجاد کند. فرکانس تشدید fr حالت ارتعاش خمشی و طول ورق. رابطه بین ضخامت کل t و ورق چسب fr = Nlttl2 است که در آن Nlt یک ثابت فرکانس است. حالت لرزش خمشی ضخامت برای محدوده فرکانسی 500 هرتز تا 100 کیلوهرتز قابل استفاده است. اندازه چنین ویبراتوری معمولاً عرض ورق سرامیکی است، l = (6 ~ 10) ww ≥ 3.5t. حالت ارتعاش برشی ضخامت به این صورت است که سطح الکترود موازی با جهت قطبش است و ورق سرامیکی پیزو در جهت ضخامت تحت تأثیر میدان الکتریکی متناوب تحت ارتعاش برشی قرار می گیرد. حالت برشی ضخامت نسبتاً آسان است و عمدتاً در محدوده فرکانس بالای 10 تا 60 کیلوهرتز استفاده می شود که در جزئیات توضیح داده نخواهد شد. در محدوده یاب اولتراسونیک، مبدل پیزوالکتریک امواج اولتراسونیک ساطع می کند و دامنه ارتعاش ویبراتور زیاد است، بنابراین حالت ارتعاش خمشی ترجیح داده می شود. در عین حال، از آنجایی که امپدانس صوتی هوا بسیار کم است، برای یک ماده پیزوالکتریک عمومی امکان تطبیق امپدانس با آن غیرممکن است، و بنابراین باید با استفاده از یک لایه انتقال متوجه شود. مشخص شد که قطعه سرامیکی پیزوالکتریک به قطعه فلزی نازک متصل شده است و اولتراسوند مبدل پیزوالکتریک به عنوان منبع تحریک برای ایجاد حالت ارتعاش خمشی استفاده می شود که دارای دامنه بزرگ و امپدانس صوتی کوچک است و می تواند به تطابق امپدانس صوتی با هوا دست یابد. . این مقاله به صورت ساختار پیوندی از ورق های سرامیکی پیزو و ورق های فلزی نازک می باشد.

 ورق های فلزی نازک همچنین می توانند به عنوان یک فیلم محافظ برای محافظت از سرامیک های پیزوالکتریک و الکترودها در برابر سایش و آسیب عمل کنند. این ماده را می توان از آلیاژ نیکل کروم تیتانیوم با پایداری بالا انتخاب کرد. از آنجایی که فلز نازک‌تر بیشتر است، فشار صوت دارای قابلیت عبور رفت و برگشتی است، قطعه فلزی به گونه‌ای طراحی شده است که نازک باشد، معمولاً حدود 0.1 میلی‌متر. یک منبع موج مستطیلی به طول L و عرض W برای ارتعاش پیستون استفاده می شود و میدان صوتی موج طولی که در محیط گاز تابش می شود مشابه منبع دیسک است. پرتو اصلی تابش یک هرم چهار گوش است، یک نمای پرسپکتیو از لوب اصلی جهت منبع موج مستطیل شکل است. محدوده یاب اولتراسونیک یک موج اولتراسونیک 36 کیلوهرتز را برای محدوده تک فرکانس ساطع می کند، یعنی فرکانس رزونانس نوسانگر سرامیکی پیزوالکتریک 36 کیلوهرتز است. این فرکانس نه تنها نیازهای سیستم را برای برد تشخیص، دقت و حساسیت برآورده می کند، بلکه باعث می شود امواج فراصوت ارسالی راندمان بالاتری در انتشار هوا داشته باشند. از طریق محاسبه فرمول و تصحیح آزمایشی، اندازه ویبراتور مستطیلی سرامیکی پیزوالکتریک به صورت زیر تعیین می شود: L=26.5mm، W=11.2mm، مبدل پیزوالکتریک به عنوان یک ساختار نزدیک از تشدید فرکانس اساسی طراحی شده است و پوسته از پلاستیک مهندسی ساخته شده است. این می تواند ورق های چسب فلزی و سرامیکی را تعمیر و محافظت کند. دو پین الکترود به ترتیب از طریق سیم های سربی به الکترود فلز و قطعه سرامیکی متصل می شوند و نحوه اتصال را می توان با لحیم کاری یا چسب رسانای دمای پایین لحیم کرد.