Pietsosähköisten materiaalien parametrit ja pietsosähköiset yhtälöt (3)

(11) Mekaaninen laatutekijä Qm

Kun PZT-materiaalia pietsokeramiikkaa käytetään resonanssivärähtelyyn, on tarpeen voittaa sisäinen mekaaninen kitkahäviö (sisäinen kulutus), ja kun on kuormaa, on tarpeen voittaa ulkoinen kuormitushäviö. Mekaaninen laatutekijä Qmo (no-load mekaaninen Q-arvo) liittyy näihin mekaanisiin häviöihin. Ja Qm (mekaaninen Q-arvo kuormitettuna). Se määritellään seuraavasti: Qm = pietsosähköisen vibraattorin resonanssiin tallentama mekaaninen energia / resonanssijakson aikana menetetty mekaaninen energia. Se heijastaa energian määrää, jonka pietsosähköinen runko kuluttaa mekaanisen häviön voittamiseksi värähteleessään. Suurempi Qm tarkoittaa vähemmän mekaanista energiahäviötä. Qm:n olemassaolo osoittaa myös, että minkään pietsosähköisen materiaalin on mahdotonta käyttää kaikkea syötettyä mekaanista energiaa ulostuloon. Resonanssissa: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], missä ZC on pietsosähköisen vibraattorin akustinen impedanssi; Zl on kuorman akustinen impedanssi; Zb on vaimennuslohko pietsosähköisen muuntimen akustisessa impedanssissa. Pietsosähköisellä muuntimella sen Qm ja Qe eivät ole vakioita. Ne liittyvät pietsosähköisen anturin toimintataajuuteen, taajuuskaistanleveyteen, valmistusprosessiin, rakenteeseen ja säteilyväliaineeseen (kuormaan). Ultraäänitunnistustekniikassa käytetyssä pietsosähköisessä muuntimessa, kun Qm on liian korkea, on helppo tehdä värähtelyn synnyttämästä värähtelyaaltomuodosta liian pitkä (soittoilmiö), mikä johtaa aaltomuodon vääristymiseen ja pienempään resoluutioon. Vastaavasti Qe ei ole suurempi ja suurempi. Qm:n ja Qe:n valinta ja määrittäminen tulee päättää todellisten tarpeiden mukaan. Suuri Q-arvo tarkoittaa, että energiankulutus on pieni pietsosähköisen vaikutuksen aikana. Se voi vähentää syntyvän lämmön määrää suuritehoisissa ja suurtaajuisissa sovelluksissa tai puhtaissa lähetystehosovelluksissa, mikä on etu. Kuitenkin ilmaisutarkoituksiin käytettävässä muuntimessa suuri Q-arvo on epäedullinen taajuuskaistan laajentamiseksi, aaltomuodon parantamiseksi ja resoluution lisäämiseksi. Lisäksi, koska Q-arvo muuttuu myös kuorman luonteen mukaan (esimerkiksi vesiupotussondin ja kosketusmenetelmän anturin kohtaama kuormitusväliaine on erilainen), myös kuormitusväliaineen vaikutus on otettava huomioon muuntimen suunnittelussa (säteilyimpedanssi).

(12) Sähkömekaaninen kytkentäkerroin K
Tämä on tärkeä parametri pietsosähköisten materiaalien tarkastelussa energian näkökulmasta. Sen määritelmä on positiivisen pietsosähköisen vaikutuksen aikana, ulkoinen jännite E = 0, ja on: K2 = sähköenergia, joka on varastoitunut pietsosähköiseen kappaleeseen ihanteellisissa olosuhteissa ihanteellinen . Pietsosähköiseen kappaleeseen syötetty mekaaninen kokonaisenergia olosuhteissa, eli toisin sanoen: K2 = muunnettu mekaaninen energia, joka saa varauksen liikkumaan kytkettyjen elektrodien välillä / ulkoisen jännityksen aikana kohdistuva mekaaninen energia, joka seuraa sisäänmenojännitystä τ. pietsosähköinen vaikutus = 0, kyllä: K2 = mekaaninen energia, joka on varastoitunut pietsosähköiseen kappaleeseen ihanteellisissa olosuhteissa / kokonaissähköenergian syöttö pietsosähköiseen kappaleeseen ihanteellisissa olosuhteissa tai: K2 = muuntunut sähköenergia, joka aiheuttaa mekaanista rasitusta / syöttää sähköenergiaa paineen alaisena transistoreilla on elastisuus, dielektrisyys ja pietsosähkö samaan aikaan, ja ne toimivat yhdessä. Tästä syystä on tarpeen ottaa käyttöön tämä fysikaalinen suure, jotta nämä ominaisuudet voidaan nähdä yhtenäisellä tavalla, mikä osoittaa mekaanisen energian ja sähköenergian välisen kytkentälujuuden asteen. Fysikaalisessa mielessä se kuvaa vain muuntamista, eikä se ole yhtä tehokasta, eikä muunnettu energia välttämättä muutu kokonaan säteily- tai lähtöenergiaksi (mukaan lukien sisäinen kulutus ja takaisinkytkentä jne.). Tietyssä mielessä voidaan tietysti myös sanoa, että sähkömekaaninen kytkentäkerroin K edustaa pietsosähköisen kappaleen 'tehokkuutta' muuntaa sähköenergiaa elastiseksi energiaksi tai muuntaa elastisen energian sähköenergiaksi. Se määräytyy pääasiassa pietsosähköisen materiaalin tyypin mukaan. Se riippuu myös pietsosähköisen kappaleen värähtelytilasta, mutta sillä ei ole mitään tekemistä anturin resonanssitaajuuden arvon kanssa. Lisäksi K-arvo riippuu myös pietsosähköisen anturin rakenteesta, käyttöolosuhteista sekä pietsosähköisen rungon elektrodin koosta ja asennosta. Voimme jakaa pietsosähköisten materiaalien energiatiheyden U (energia tilavuuden yksikkönä) kolmeen osaan, joista yksi on elastinen energiatiheys, toinen on sähkökentän energiatiheys (dielektrisen energiatiheys) ja toinen on pietsosähköisen vaihtoenergian tiheys Um (jätä pois lämpö- ja magneettiset energiakohdat).

Ensimmäinen osa tässä on materiaali-mekaanisen elastisen energian mekaaninen osa, toinen osa pietsokeraamiset rengaskomponentit on sähköinen osa-sähkökentän energia, ja kolmas osa on elastisen energian ja dielektrisen energian välisen vuorovaikutuksen energiatiheys. Sisäinen kokonaisenergia on: U = Ue + Ud + 2Um. Ottaen huomioon, että pietsosähköinen energia on vaihdettavaa energiaa, se kaksinkertaistuu. Siksi voimme määritellä sähkömekaanisen kytkentäkertoimen toisella tavalla: K = Um / ( UeUd) 1/2. Tai: K = Pietsosähköisen energian geometrinen keskiarvo / kimmoenergia ja dielektrinen energia. Syynä elastisen energian ja dielektrisen energian geometrisen keskiarvon valinnalle on ottaa huomioon pietsosähköisen kiteen jokaisen pienen osan epätasainen energiajakauma. Tällä tavalla voidaan sanoa, että pietsosähköisesti muunnettavissa olevan energian suhde pietsosähköisen materiaalin tilavuusyksikköön on sähkömekaaninen kytkentäkerroin. Esimerkiksi Ud:ta ja Ue:tä ei voida muuntaa pietsosähköisesti, mutta se ei ole energiahäviö. Tietyillä materiaaleilla, kuten kvartsilla, energiahäviö on pieni ja muunnostehokkuus on erittäin korkea, mutta sen sähkömekaaninen kytkentäkerroin on pienempi kuin pietsosähköisen keramiikan, kun taas pietsosähköisen keramiikan muunnoshyötysuhde ei ole korkea. Suuri osa voidaan muuntaa pietsosähköisesti, mikä tarkoittaa, että sen sähkömekaaninen kytkentäkerroin on korkea. Tästä voimme tunnistaa eron sähkömekaanisen kytkentäkertoimen ja hyötysuhteen välillä. Sähkömekaaninen kytkentäkerroin on energian suhde, dimensioton ja sen maksimiarvo on 1, kun K = 0, se tarkoittaa, että pietsosähköistä vaikutusta ei esiinny. Yleiset sähkömekaaniset kytkentäkertoimet ovat seuraavat:

(1) Säteittäisen värähtelyn sähkömekaaninen kytkentäkerroin Kp (tunnetaan myös tasomaisena sähkömekaanisena kytkentäkertoimena): Heijastaa ohuen kiekon muotoisen pietsosähköisen kiteen sähkömekaanisen kytkentävaikutuksen, kun se altistetaan säteittäiselle teleskooppivärähtelylle, edellyttäen, että kiekon halkaisija on sähköisen suunnan paksuus t ja sen polaarisuunta on ≥ 3 kertaa kiekon paksuus. kenttä.

(2) Poikittaisvärähtelyn (poikittaisen pituusvärähtelyn) sähkömekaaninen kytkentäkerroin K31 heijastaa sähkömekaanista kytkentävaikutusta, kun pitkä levymäinen pietsosähköinen kide, jonka paksuussuunta on polarisaatiosuunnassa, venyy ja supistuu pituussuunnassa edellyttäen, että levyn pituus on l≥3 kertaa. Hiutaleiden leveys ja paksuus.

(3) Pituusvärähtelyn sähkömekaaninen kytkentäkerroin K33 (pitkittäinen pituusvärähtely): heijastaa teleskooppivärähtelyn sähkömekaanista kytkentävaikutusta pituussuunnassa, kun ohut sauvamainen pietsosähköinen kide on polarisoitu paksuussuunnassa ja sähkökentän suunta on sama kuin polarisaatiosuunta. Ehto on tangon leveys ja paksuus tai halkaisija, joiden pituus on l≥3 kertaa.

(4) Paksuusvärähtelyn sähkömekaaninen kytkentäkerroin Kt: heijastaa paksuussuunnassa polarisoituneiden levymäisten pietsosähköisten kiteiden sähkömekaanista kytkentävaikutusta ja sähkökentän suunta on myös paksuussuunnassa. Edellytyksenä on, että kiekon paksuus on pienempi kuin kiekon sivun pituus tai halkaisija.

(5) Paksuuden leikkausvärähtelyn sähkömekaaninen kytkentäkerroin K15: Se heijastaa pietsosähköisen kiteen paksuusleikkausvärähtelyn sähkömekaanista kytkentävaikutusta.

Yhteenvetona voimme päätellä, että tärkeimmät valintaperiaatteet valittaessa pietsosähköisiä materiaaleja pietsosähköisten muuntimien valmistamiseksi ultraäänitestauksen käytännön sovelluksissa ovat seuraavat: (1) Mitä suurempi arvo d33--d33, sitä parempi emission suorituskyky. . On selvää, että lähettävää anturia valmistettaessa on parempi valita materiaali, jonka d33-arvo on mahdollisimman suuri; (2) Mitä suurempi arvo g33--g33, sitä parempi vastaanottokyky. On selvää, että jos haluat tehdä vastaanottavan anturin, sinun tulee valita materiaali, jonka arvo on suuri g33 niin paljon kuin mahdollista; Kun haluat tehdä muuntimen, joka yhdistää sekä lähetyksen että vastaanoton, kannattaa harkita kokonaisvaltaisesti arvoa, joka on lähellä ja yhtä suuri kuin d33 ja g33. (3) Akustinen impedanssi Z (Z = ρc) - Ottaen huomioon, että ultraääniaaltojen reflektanssi ja läpäisykyky liittyvät väliaineen väliseen akustisen impedanssin eroon. mitä pienempi ero akustisessa impedanssissa on korkeampi ultraääniläpäisykyky. Jotta mahdollisimman monta ultraääniaaltoa pietsosähköisestä muuntimesta pääsisi testiväliaineeseen, tulee valita pietsosähköinen materiaali, jonka akustinen impedanssi on mahdollisimman lähellä kosketusväliaineen akustista impedanssia. On huomattava, että sähkökentän olemassaolo vaikuttaa näennäiseen äänen nopeuteen pietsosähköisessä materiaalissa, ja jopa pietsosähköisen materiaalin akustinen impedanssi muuttuu työtilassa. (4) Paksuuden tärinän sähkömekaaninen kytkentäkerroin Kt - Ultraäänitunnistustekniikassa tärkein sovellus on paksuusvärähtelytyyppinen pietsosähköinen siru, joten mitä suurempi Kt:n arvo, sitä parempi on sähkömekaaninen muunnoskyky, jonka anturin herkkyys on suurempi. (5) Säteittäisen värähtelyn sähkömekaaninen kytkentäkerroin Kp--Kun pietsosähköinen siru suorittaa paksuusvärähtelyä, esiintyy samanaikaisesti myös säteittäistä värähtelyä, joka häiritsee paksuusvärähtelyä ja aiheuttaa aaltomuodon vääristymiä, kohinan lisääntymistä tai lisääntymistä jne. Kp-arvon toivotaan olevan mahdollisimman pieni. Yleisesti ottaen mitä suurempi Kt/Kp-arvo, sitä parempi.

(6) Dielektrisyysvakio ε – Pietsosähköinen kiekko muodostaa kondensaattorin elektrodien pinnoittamisen jälkeen, ja sen kapasitanssi vastaa arvoa C = εA / t, eli dielektrisyysvakio ε, elektrodien suhteellinen pinta-ala A ja elektrodien etäisyys (kiekon paksuus) t suhteessa toisiinsa. Piirissä pieni kapasitanssi tarkoittaa suurta kapasitiivista reaktanssia, joka soveltuu käytettäväksi suurtaajuisena pietsosähköisenä elementtinä. Erityisesti ultraäänitunnistusmuunnin toimii enimmäkseen megahertsien taajuusalueella, joten vaaditaan, että pietsosähköisen materiaalin ε on pienempi. Päinvastoin, kun sitä käytetään matalataajuisten pietsosähköisten komponenttien (kuten kaiuttimet ja mikrofonit äänialueella) valmistukseen, materiaali, jolla on suuri ε, tulisi valita vastaamaan suuren kapasiteetin ja pienen kapasitiivisen reaktanssin vaatimuksia. On huomattava, että ε:n arvo liittyy myös anturin mekaaniseen vapauteen, eli mekaanisen puristustilan ja mekaanisen vapaan tilan dielektriset vakiot ovat erilaisia, joten εe:n ja ετ:n välillä on eroja. Lisäksi ε:n ja taajuuden välinen suhde on myös herkempi, joten ε-arvo tulisi itse asiassa mitata tietyn toimintataajuuden ehdoilla. Se tarkoittaa, että samanpaksuisilla pietsosähköisillä kiekoilla on suurempi resonanssitaajuus tai kiekon paksuus on suurempi samalla resonanssitaajuudella, mikä on kätevää korkeataajuisten komponenttien käsittelyssä ja valmistuksessa. Siksi tulee valita materiaali, jonka Nt-arvo on suurempi.

(8) Ferrosähköinen Curie-piste Tc--ferrosähköisellä kiteellä on ferrosähköä vain tietyllä lämpötila-alueella. Kun lämpötila saavuttaa ferrosähköisen curie-pisteen, kide menettää ferrosähköisyyden, ja dielektriset, pietsosähköiset, optiset, elastiset ja lämpöominaisuudet ovat kaikki epänormaaleja. Useimmilla ferrosähköisillä on vain yksi curie-piste, mutta muutamilla ferrosähköisillä on ylempi ja alempi curie-piste, ja niillä on ferrosähköisyyttä vain ylemmän ja alemman curie-pisteen välisellä lämpötila-alueella. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaatin ylempi curie-piste on 115-120 °C ja alempi curie-piste -5 °C. Jos bariumtitanaattiin lisätään 5 % kalsiumtitanaattia, alempi curie-piste voi olla -40 °C. Lisäksi joissakin ferrosähköisissä materiaaleissa ei ole curie-pistettä, kuten joissakin erityisissä polymeerisissä pietsosähköisissä materiaaleissa (koska ne ovat sulaneet tai jopa palaneet saavuttaessaan tietyn lämpötilan).

On huomattava, että kun todellinen lämpötila ei ole saavuttanut curie-pistettä, monien pietsosähköisten muuntimien (kuten Kt jne.) suorituskyky on merkittävästi heikentynyt tai heikentynyt (esim. bariumtitanaattianturi heikkenee 60-70 °C:ssa) Lisäksi korkein lämpötila, jossa se voi toimia, ei ole sama kuin se, että se pystyy kestämään lämpötilan muutoksia, mukaan lukien lämpölaajenemiskerroin. Siksi korkeammissa lämpötiloissa, kuten hitsauselektrodien johdot ja kuumeneminen absorptiolohkon kaatamisen aikana anturin varsinaisen käytön ja anturin valmistusprosessin aikana, Pietsosähköistä materiaalia valittaessa on kiinnitettävä erityistä huomiota anturin käyttöolosuhteisiin.

(9) Mekaaninen laatutekijä Qm ja sähköinen laatutekijä Qe - Käytännön sovelluksissa, jos Qm- ja Qe-arvot ovat suuret, syntyy 'soittoääni'-ilmiö, joka johtaa aaltomuodon vääristymiseen ja heikentyneeseen resoluutioon, mikä ei edistä havaitsemista. Tilanne syntyy. Sen vuoksi Qm:n ja Qe:n ei yleensä odoteta olevan liian suuria ilmaisutekniikan tarpeista alkaen, jotta kaikusignaalin ominaisuudet todella heijastuttaisiin ja että ilmaisuresoluutio vastaa ilmaisuvaatimuksia. Materiaalivalinnassa huomioimisen lisäksi muuntimia suunniteltaessa ja valmistettaessa Taajuus-, Qm- ja Qe-arvoja on pienennettävä sopivasti lisäämällä rakenteen vaimennusta ja muuttamalla piirin impedanssia. Tietenkin Qm- ja Qe-arvojen pienentäminen tapahtuu herkkyyden kustannuksella (alennettu lähtöteho). Siksi sopiva Q-arvo tulee valita ja säätää todellisen sovelluksen tarpeiden mukaan (kokemuksen mukaan ultraäänitunnistusanturin todellinen Q-arvo ei saa olla suurempi kuin 10).

(10) Pietsosähköisten materiaalien ikääntymiskyky pietsokeraaminen sylinteriputki - Polarisoitujen pietsosähköisten materiaalien pietsosähköisillä ominaisuuksilla on peruuttamattomia muutoksia ajan myötä. Tätä ilmiötä kutsutaan 'vanhenemiseksi', kuten dielektrisyysvakio, dielektriset häviöt, pietsosähköiset vakiot, sähkömekaaniset kytkentäkertoimet ja elastisuus yleensä pienenevät ajan myötä, ja taajuusvakiot ja mekaaniset Q-arvot kasvavat ajan myötä. Näiden parametrien muutos on periaatteessa lineaarinen ajan logaritmisen arvon kanssa. Sitä pidetään yleensä kymmenen vuoden yksikkönä, jota kutsutaan 'kymmenen vuoden ikääntymiseksi'. Ilmeisesti tämä indeksi heijastaa pietsosähköisten materiaalien aikastabiilisuutta. Pietsosähköisiä muuntimia valmistettaessa tulee myös ottaa huomioon materiaalien valinta, jolla on parempi aikastabiilisuus. Tietyllä ultraäänianturilla tämä ikääntymisilmiö ilmenee erityisesti herkkyydessä, alkuaallon miehityksessä ja sähköisen melutasona. Siksi on syytä kiinnittää huomiota myös ikääntymisen vaikutukseen anturin ostoon ja varastointiin.

(11) Pietsosähköisten materiaalien lämpöstabiilisuus – Tämä viittaa pietsosähköisten materiaalien pietsosähköisiin ominaisuuksiin, jotka ovat vakioita tai eivät heikkene jatkuvan käytön jälkeen tietyllä lämpötila-alueella curie-pisteen alapuolella, erityisesti korkean lämpötilan ympäristöissä. Työskentelyanturi tulee valita materiaaleista, joilla on hyvä lämmönkestävyys.
Yllä olevat 11 kohdetta ovat tärkeimmät näkökohdat ja valintaperiaatteet, kun valitsemme pietsosähköisiä materiaaleja ultraäänitestausantureiden valmistukseen. Meidän tulee harkita kokonaisvaltaisesti ja valita sopivasti sovelluksen ja tarpeiden mukaan.