Ultraäänietäisyysanturissa käytetyn pietsosähköisen keramiikan käyttö

Viimeisten 20 vuoden aikanapietsosähköisten kiteiden hinta on kehittynyt nopeasti kotimaassa ja ulkomailla. Yksinkertaisen tuotannon, alhaisten kustannusten ja hyvän vakauden etujensa ansiosta niitä on käytetty laajalti elektroniikan, valon, lämmön ja akustiikan aloilla, ja niillä on laaja valikoima. Ultraäänimuuntimet on valmistettu pietsosähköisestä keramiikasta, joka voi tuottaa ultraääniaaltoja, joilla on hyvä suuntaus. Ne ovat ihanteellisia parametrien, kuten nopeuden ja matkan, mittaamiseen, ja ne voivat toimia vakaasti ja luotettavasti ankarissa ympäristöolosuhteissa.

Ultraäänietäisyyslaitteesta ultraäänellä tarkoitetaan yli 20 kHz:n taajuisia ääniaaltoja, jotka ovat mekaanisia aaltoja. Hyvän suuntautuvuuden ja ympäristönsietokykynsä ansiosta sitä käytetään vääntömomentin mittaustekniikassa. Ultraäänimittauslaite on kosketukseton etäisyysmittaustekniikka. Menetelmiä ovat pääasiassa pulssimenetelmä, vaihemenetelmä ja taajuusmuunnosmenetelmä. Ultraäänimittauslaite käyttää pääasiassa pulssimenetelmää. Pulssimenetelmä määrittää suoraan etäisyysarvon mittaamalla ajan, jonka aikana kantoaaltopulssisignaali kulkee edestakaisin mitattavan matkan yli. Kaava pietsolevyn energiantuotanto on D=Vt2D/2, missä D on mitattava etäisyys; V on kantoaineen etenemisnopeus ilmassa; t2D on operaattorin edestakaisen matkan aika. Pulssimenetelmän tarkkuuteen vaikuttaa ajan mittauksen tarkkuus ja ajan mittauksen tarkkuuteen värähtelytaajuus. Jos ultraääniaaltoa käytetään kantajana ja etäisyyden mittaustarkkuus on D≤1cm, aikatestin tarkkuuden tulee olla t≤5,9×10-5s, eli niin kauan kuin värähtelytaajuus saavuttaa 1,7×104 Hz, tämä on erittäin helppo toteuttaa.

Pietsosähköiset ultraäänianturit valmistetaan käyttämällä pietsosähköisten materiaalien pietsosähköistä vaikutusta. Polarisoitu pietsosähköinen materiaali käy läpi mekaanista muodonmuutosta käytetyn sähkökentän vaikutuksesta. Tätä kutsutaan käänteispietsosähköiseksi efektiksi. Sitä vastoin pietsosähköisen materiaalin mekaaninen muodonmuutos tuottaa myös jännitteen, jota kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi efektiksi. Käyttämällä käänteistä pietsosähköistä vaikutusta korkeataajuinen jännite voidaan muuntaa korkeataajuiseksi mekaaniseksi värähtelyksi ultraääniaaltojen tuottamiseksi; positiivista pietsosähköistä vaikutusta voidaan käyttää myös muuttamaan vastaanotettu ultraäänivärähtely sähköiseksi signaaliksi. Näin ultraäänianturi toimii. Pietsosähköisiä ultraääniantureita voidaan pitää nelinapaisina verkkoina, joissa on sähköiset ja mekaaniset päät.

Pietsosähköisten materiaalien valinta pietsosähköiset levyt ovat sitä, että pietsosähköisiä materiaaleja ultraäänimuuntimien valmistukseen ovat pietsosähköiset yksikiteet, monikiteinen pietsosähköinen keramiikka, pietsosähköiset korkeat polymeerit ja pietsosähköiset komposiittimateriaalit. Niiden joukossa lyijy-zirkonaattititanaattipietsosähköisellä keramiikalla on korkea mekaaninen lujuus, lämpötila- ja kosteuskestävyys, alhainen hinta ja hyvä sähkömekaaninen kytkentävaikutus, ja niitä on käytetty laajalti ultraääniantureissa. Ultraäänietäisyysmittarin ultraäänianturi käyttää lyijy-zirkonaattititanaattipietsosähköistä keraamia täryttimen materiaalina.

Jos kaksi pitkänomaista Pietsosähköinen levy samanpaksuiset ja polarisoidut pietsosähköiset kiteet liitetään yhteen, taivutusvärähtelyä voidaan synnyttää, kun jännittävää sähkökenttää kohdistetaan pidentämään ja toista lyhentämään. Kaksi liimattua pietsokeraamia on polarisoitu vastakkaisiin suuntiin ja on kytketty sarjaan virtalähteeseen; kahden pietsokeraamisen levyn, joilla on sama polarisaatiosuunta, rinnakkaiset liitostavat on esitetty. Kahdessa pietsokeraamisessa liima-arkissa sähkökenttä virittää vain yhden niistä tuottamaan taivutusvärähtelyä. Vastaavasti kahden pietsosähköisen keraamisen levyn liittäminen ohueen metallilevyyn tai keraamisen levyn liittäminen ohueen metallilevyyn voi myös tuottaa taivutusvärähtelyn paksuuden. Taivutusvärähtelymuodon resonanssitaajuus fr ja levyn pituus . Kokonaispaksuuden t ja liima-arkin välinen suhde on fr = Nlttl2, missä Nlt on taajuusvakio. Paksustaivutusvärähtelytilaa voidaan soveltaa taajuusalueella 500 Hz - 100 kHz. Tällaisen täryttimen koko on yleensä keraamisen levyn leveys, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5t. Paksuusleikkausvärähtelymoodille on tunnusomaista se, että elektrodin pinta on yhdensuuntainen polarisaatiosuunnan kanssa ja pietsokeraaminen levy altistuu leikkausvärähtelylle paksuussuunnassa vaihtelevan sähkökentän vaikutuksesta. Paksuusleikkausmoodi on suhteellisen helppo herättää, ja sitä käytetään pääasiassa suurtaajuusalueella 10-60 kHz, jota ei kuvata yksityiskohtaisesti. Ultraäänietäisyysmittarissa pietsosähköinen muunnin lähettää ultraääniaaltoja, ja tärinän värähtelyn amplitudi on suuri, joten taivutusvärähtelytila ​​on parempi. Samaan aikaan, koska ilman akustinen impedanssi on erittäin alhainen, yleisen pietsosähköisen materiaalin on mahdotonta saavuttaa impedanssisovitusta sen kanssa, ja siksi se on toteutettava siirtymäkerroksen avulla. On havaittu, että pietsosähköinen keraaminen kappale on sidottu ohueen metallikappaleeseen, ja Pietsosähköisen muuntimen ultraääntä käytetään virityslähteenä taivutusvärähtelytilan luomiseen, jolla on suuri amplitudi ja pieni akustinen impedanssi ja jolla voidaan saavuttaa akustinen impedanssisovitus ilman kanssa. . Tämä tuote on sidottu rakenteen muodossa pietsokeramiikkalevyistä ja ohuista metallilevyistä.

 Ohuet metallilevyt voivat toimia myös suojakalvona, joka suojaa pietsosähköistä keramiikkaa ja elektrodeja kulumiselta ja vaurioilta. Materiaali voidaan valita erittäin stabiilista nikkelikromi-titaaniseoksesta. Koska ohuempi metalli on korkeampi, äänenpaine on edestakaisin kulkeva, metallikappale on suunniteltu ohueksi, yleensä noin 0,1 mm. Ultraäänietäisyysmittarin täryttimen muoto ja koko edellyttävät, että lähetettävä ultraäänikenttä on viuhkamainen, kun otetaan huomioon suorakaiteen muotoisen täryttimen käyttö aaltolähteenä. Männän värähtelyyn käytetään suorakaiteen muotoista aaltolähdettä, jonka pituus on L ja leveys W, ja kaasuväliaineessa säteilevä pitkittäisaaltoäänikenttä on samanlainen kuin levylähde. Säteilyn pääsäde on nelikulmainen pyramidi, perspektiivikuva suorakaiteen muotoisen aallon lähteen suunnatusta pääkeikasta. Ultraäänietäisyysmittari lähettää 36 kHz:n ultraääniaallon yksittäistä taajuusaluetta varten, eli pietsosähköisen keraamisen oskillaattorin resonanssitaajuus on 36 kHz. Tämä taajuus ei ainoastaan ​​täytä järjestelmän vaatimuksia tunnistusalueelle, tarkkuudelle ja herkkyydelle, vaan myös tekee lähetetyistä ultraääniaalloista tehokkaamman ilman etenemisen. Kaavan laskennan ja kokeellisen korjauksen avulla pietsosähköisen keraamisen suorakaiteen muotoisen täryttimen koko määritetään seuraavasti: L = 26,5 mm, W = 11,2 mm, pietsosähköinen muunnin on suunniteltu tiiviiksi perustaajuusresonanssirakenteeksi ja kuori on valmistettu teknisestä muovista. Se voi kiinnittää ja suojata metallisia ja keraamisia liimalevyjä. Kaksi elektrodin nastaa on kytketty metallin ja keraamisen kappaleen elektrodiin lyijyjohtojen kautta, ja liitäntätapa voidaan juottaa juottamalla tai matalan lämpötilan johtavalla liimalla.