اصل کار مبدل سرامیکی پیزوالکتریک

مروری بر مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک

مبدل سرامیکی پیزوالکتریک از کریستال سرامیکی پیزوالکتریک و دو فلز سبک و سنگین تشکیل شده است. پس از درمان پلاریزاسیون در دمای معین، اثر پیزوالکتریک دارد. مبدل های اولتراسونیک سرامیکی پیزوالکتریک مدت زیادی است که وارد حوزه تحقیقاتی مردم شده اند. ساخت آن آسان است، قابلیت کنترل قوی، حساسیت بالا و اتصال الکترومکانیکی خوب دارد. مبدل ها  اند که شامل مبدل های اولتراسونیک قدرت و مبدل های اولتراسونیک تشخیص هستند. بر اساس سرامیک های پیزوالکتریک توسعه یافته

فناوری اولتراسونیک یک فناوری آزمایش غیر مخرب است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. این بر اساس تئوری آکوستیک است و به طور مداوم در زمینه های الکترونیک، ارتباطات، پزشکی، زیست شناسی و فیزیک استفاده می شود. در فناوری تشخیص مدرن، مبدل های توسعه یافته با استفاده از فناوری اولتراسوند به دلیل حساسیت بالا و دقت بالا، توجه بیشتری را به خود جلب می کنند.

مبدل‌های متداول مورد استفاده در فرآیند بازرسی عبارتند از مبدل‌های حلقه‌های پیزو، مبدل‌های نتوستریکتیو ماگ، مبدل‌های صوتی الکترومغناطیسی و مبدل‌های لیزری. رایج ترین مورد استفاده مبدل پیزوالکتریک است، جزء اصلی آن تراشه پیزوالکتریک است. ویفر پیزوالکتریک را می توان در اثر فشار تغییر شکل داد که منجر به پلاریزه شدن خود ویفر می شود و بارهای محدود مثبت و منفی روی سطح ویفر ظاهر می شود. این اثر یک اثر پیزوالکتریک است. علاوه بر این، اثر پیزوالکتریک برگشت پذیر است، یعنی با اعمال ولتاژ به ویفر تغییر شکل می دهد. در فرآیند تشخیص، حسگر اولتراسونیک می‌تواند امواج اولتراسونیک را با استفاده از اثر پیزوالکتریک معکوس تولید کند و از اثر پیزوالکتریک برای رسیدن به هدف دریافت امواج اولتراسونیک استفاده کند. مبدل های اولتراسونیک سرامیکی پیزوالکتریک مدت زیادی است که وارد حوزه تحقیقاتی مردم شده اند. ساخت آن آسان است، قابلیت کنترل قوی، حساسیت بالا و اتصال الکترومکانیکی خوب دارد. مبدل های توسعه یافته بر اساس سرامیک های پیزوالکتریک شامل مبدل های اولتراسونیک قدرت و مبدل های اولتراسونیک تشخیص هستند.

اصل کار مبدل سرامیکی پیزوالکتریک

اصل مبدل های سرامیکی پیزوالکتریک این است که وقتی فشار یا کشش به سرامیک های pzt اعمال می شود  ، بارهایی با قطبیت های مخالف در دو سر سرامیک ایجاد می شود و جریان از طریق مدار تولید می شود. این اثر را اثر پیزوالکتریک می نامند. اگر یک مبدل ساخته شده از این سرامیک پیزوالکتریک در آب قرار گیرد، تحت تأثیر امواج صوتی، بارهایی در دو سر مبدل که یک گیرنده موج صوتی است، القا می شود. علاوه بر این، اثر پیزوالکتریک برگشت پذیر است. اگر میدان الکتریکی متناوب روی ورق سرامیکی پیزوالکتریک اعمال شود، ورق پیزو سرامیک هر از چند گاهی نازک تر و ضخیم تر می شود و در عین حال ارتعاش ایجاد می کند و امواج صوتی را منتشر می کند. بنابراین مشکل فرستنده اولتراسونیک حل شده است.

دو نوع وجود دارد قطعات حلقه پیزوسرامیک  mag netostrictive فلز و سرامیک پیزوالکتریک. هدف از این مقاله طراحی مبدل‌ها برای ماشین‌کاری اولتراسونیک مکانیکی با قدرت بالا است، بنابراین فقط مبدل‌های سرامیکی پیزوالکتریک مورد بحث قرار می‌گیرند. مبدل سرامیکی پیزوالکتریک به عنوان نوعی شبکه انتقال انرژی، مشکل راندمان تبدیل انرژی را دارد. راندمان تبدیل به انتخاب مواد مبدل، شکل ارتعاش، ساختار سیستم ارتعاش مکانیکی (از جمله مکانیسم پشتیبانی) و فرکانس کاری مربوط می شود. بنابراین در طراحی مبدل های اولتراسونیک باید عوامل مختلفی مانند امپدانس صوتی، پاسخ فرکانسی، تطبیق امپدانس، ساختار آکوستیک، حالت ارتعاش و مواد تبدیل و همچنین نحوه طراحی و هماهنگی این عوامل به منظور دستیابی به بهترین ارزش تبدیل الکتروآکوستیک در نظر گرفته شود.

مبدل سرامیکی پیزوالکتریک یک ماده سرامیکی الکترونیکی با ویژگی های پیزوالکتریک است. تفاوت اصلی با یک کریستال کوارتز پیزوالکتریک معمولی که حاوی اجزای فروالکتریک نیست این است که فازهای کریستالی که اجزای اصلی آن را تشکیل می‌دهند دانه‌های کریستال فروالکتریک هستند. از آنجایی که سرامیک های پیزو سنگدانه های پلی کریستالی با دانه هایی با جهت تصادفی هستند، بردار پلاریزاسیون خود به خودی هر دانه فروالکتریک نیز از هم گسیخته می شود. برای اینکه پیزو سرامیک s خواص ماکرو پیزوالکتریک را از خود نشان دهد، سرامیک پیزوالکتریک باید پس از شلیک در یک میدان الکتریکی DC قوی پلاریزه شود و وجه انتهایی در معرض الکترودهای متعدد قرار گیرد، به طوری که بردار پلاریزاسیون جهت گیری بی نظمی اصلی ترجیحاً در جهت میدان الکتریکی جهت گیری شود. پس از درمان پلاریزاسیون، سرامیک پیزوالکتریک شدت قطبش باقیمانده ماکرو خاصی را حفظ می کند، به طوری که سرامیک دارای فشار خاصی است.

کاربرد مبدل سرامیکی پیزوالکتریک

با توجه به مزایای غیر تماسی فناوری اولتراسونیک، سعی کنید اعمال کنید مبدل های اولتراسونیک سرامیکی پیزوالکتریک به سیستم تشخیص غلظت مایع. تراشه موجود در سیستم از FPGA سری Spartan 3E استفاده می کند. مبدل سرامیکی پیزوالکتریک نقش مهمی در ارسال و دریافت سیگنال دارد. سیگنال اولتراسونیک با فرکانس و دامنه مشخصی که توسط مبدل تولید می شود از طریق مدار فرستنده به داخل مایع هدایت می شود. پس از تضعیف سیگنال توسط مایع، سیگنال با اطلاعات غلظت مایع را می توان از مبدل گیرنده دریافت کرد. از طریق تجزیه و تحلیل روش تضعیف صدا، غلظت تقریبی مایع به طور موثر به دست می آید. طراحی نرم افزاری سیستم شامل برنامه اصلی، برنامه اندازه گیری اولتراسونیک، برنامه کنترل پالس، برنامه فرستنده پالس، برنامه کنترل اکتساب ADC و برنامه ساعت و زنگ می باشد.

در آزمایش، ابتدا مایع ساکن را می توان اندازه گیری کرد، از روش تضعیف اولتراسونیک برای تجزیه و تحلیل سیگنال جمع آوری شده در انتهای گیرنده استفاده می شود، پاکت پردازش می شود و اطلاعات غلظت با ترکیب مسیر انتشار سیگنال (قطر لوله) به دست می آید. سپس، اندازه‌گیری دینامیکی مایع دینامیک انجام می‌شود و مسیر انتشار سیگنال باید سرعت جریان مایع را برای محاسبه مسیر تقریبی در نظر بگیرد.