Paraiméadair na n-ábhar piezoelectric agus cothromóidí piezoelectric (3)

(11)Fachtóir cáilíochta meicniúil Qm

Nuair a bheidh an ábhar ceirmeach piezo PZT le haghaidh creathadh athshondais, is gá an caillteanas cuimilte meicniúil inmheánach (tomhaltas inmheánach) a shárú, agus nuair a bhíonn ualach ann, is gá an caillteanas ualach seachtrach a shárú. Úsáidtear Baineann an fachtóir cáilíochta meicniúil Qmo (luach meicniúil gan ualach Q) leis na caillteanais mheicniúla seo. Agus Qm (luach meicniúil Q faoi ualach). Sainmhínítear é mar: Qm = fuinneamh meicniúil arna stóráil ag an vibrator piezoelectric ag fuinneamh athshondais / meicniúil a cailleadh le linn na tréimhse athshondais. Léiríonn sé an méid fuinnimh a ídíonn an comhlacht piezoelectric chun an caillteanas meicniúil a shárú nuair a bhíonn sé ag creathadh. Ciallaíonn Qm níos mó níos lú caillteanas fuinnimh mheicniúil. Tugann Qm le fios freisin go bhfuil sé dodhéanta d'aon ábhar piezoelectric an fuinneamh meicniúil ionchuir go léir a úsáid le haghaidh aschuir. Ag athshondas: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], áit a bhfuil ZC mar impedance fuaimiúil an vibrator piezoelectric; Is é Zl bacainn fhuaimiúil an ualaigh; Is é Zb an bloc taise sa bhac fuaime trasduchtóir piezoelectric. Maidir le trasduchtóir piezoelectric, níl a Qm agus Qe tairiseach. Tá baint acu le minicíocht oibriúcháin, bandaleithead minicíochta, próiseas déantúsaíochta, struchtúr, agus meán radaíochta (ualach) an trasducer piezoelectric. Ar an trasducer piezoelectric a úsáidtear i dteicneolaíocht braite ultrasonaic, nuair a bhíonn Qm ró-ard, tá sé éasca an tonnchruth tonnchrith a ghineann an vibrator a dhéanamh ró-fhada (feiniméan fáinne), rud a fhágann go bhfuil saobhadh tonnform agus réiteach níos ísle. Ar an gcaoi chéanna, níl Qe níos mó agus níos mó. Ba cheart rogha agus cinneadh Qm agus Qe a chinneadh de réir na riachtanas iarbhír. Ciallaíonn luach Q mór go bhfuil an tomhaltas fuinnimh beag le linn an éifeacht piezoelectric. Is féidir leis an méid teasa a ghintear a laghdú i gcás iarratais ard-chumhachta agus ard-minicíochta nó iarratais cumhachta tarchurtha íon, rud is buntáiste. Mar sin féin, chun críocha braite trasducer, tá luach Q mór míbhuntáisteach chun an banna minicíochta a leathnú, an tonnform a fheabhsú, agus an réiteach a mhéadú. Ina theannta sin, ós rud é go n-athraíonn an luach Q freisin le nádúr an ualaigh (mar shampla, tá an meán ualaigh atá os comhair an taiscéalaí tumoideachais uisce agus an modh teagmhála probe difriúil), ní mór tionchar an mheáin ualaigh a mheas freisin nuair a bhíonn an trasducer á dhearadh (impedance radaíochta).

(12) Comhéifeacht cúplála leictreomeicniúil K
Is paraiméadar tábhachtach é seo chun ábhair phísileictreacha a scrúdú ó thaobh an fhuinnimh de. Is é a shainmhíniú le linn éifeacht piezoelectric dearfach, an voltas seachtrach E = 0, agus tá: K2 = fuinneamh leictreach stóráilte sa chomhlacht piezoelectric faoi na coinníollacha idéalach idéalach .An t-ionchur fuinnimh meicniúil iomlán isteach sa chomhlacht piezoelectric faoi na coinníollacha, nó i bhfocail eile: K2 = an fuinneamh meicniúil thiontú is cúis leis an muirear chun bogadh idir na leictreoidí nasctha / an fuinneamh ionchur meicniúil a leanann an strus i bhfeidhm, le linn an strus seachtrach i τ τ éifeacht: = fuinneamh meicniúil a stóráiltear sa chorp piezoelectric faoi choinníollacha idéalach / ionchur iomlán fuinnimh leictrigh isteach sa chorp piezoelectric faoi choinníollacha idéalach nó: K2 = fuinneamh leictreach tiontaithe is cúis le brú meicniúil / ionchur fuinneamh leictreach faoi bhrú Tá leaisteachas, tréleictreach agus piezoelectricity ag trasraitheoirí ag an am céanna, agus oibríonn siad le chéile. Ar an gcúis seo, is gá an chainníocht fhisiceach seo a thabhairt isteach chun na saintréithe seo a fheiceáil ar bhealach aontaithe, rud a léiríonn an méid neart cúplála idir fuinneamh meicniúil agus fuinneamh leictreach. I gciall fhisiceach, ní dhéanann sé ach cur síos ar chomhshó agus níl sé ar éifeachtúlacht chomhionann, agus ní féidir an fuinneamh tiontaithe a thiontú go hiomlán i bhfuinneamh radaithe nó aschuir (lena n-áirítear tomhaltas inmheánach agus aiseolas, etc.). Ar ndóigh, sa chiall, is féidir a rá freisin gurb ionann an comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla K agus 'éifeachtúlacht' an chomhlachta piezoelectric fuinneamh leictreach a thiontú go fuinneamh leaisteacha, nó fuinneamh leaisteacha a thiontú go fuinneamh leictreach. Déantar é a chinneadh go príomha ag an gcineál ábhar piezoelectric. Braitheann sé freisin ar mhodh creathadh an chomhlachta piezoelectric, ach níl aon bhaint aige le luach minicíocht athshondach an trasducer. Ina theannta sin, braitheann an luach K freisin ar struchtúr an trasducer piezoelectric, na coinníollacha oibriúcháin, agus méid leictreoid agus suíomh an chomhlachta piezoelectric. Is féidir linn an dlús fuinnimh U (fuinneamh i dtoirt aonad) d'ábhair piezoelectric a roinnt ina thrí chuid, is é ceann dlús fuinnimh leaisteach, is é ceann dlús fuinnimh réimse leictrigh (dlús fuinnimh tréleictreach), agus is é ceann dlús fuinnimh idirmhalartaithe piezoelectric Um (fág míreanna fuinnimh teirmeach agus maighnéadacha ar lár).

Is é an chéad chuid anseo an chuid meicniúil den fhuinneamh leaisteacha ábhar-meicniúla, an dara cuid de Is é comhpháirteanna fáinne piezoceramic an fuinneamh réimse leictreach páirt-leictreacha, agus is é an tríú cuid dlús fuinnimh an idirghníomhaíochta idir fuinneamh leaisteacha agus fuinneamh tréleictreach. Is é an fuinneamh inmheánach iomlán ná: U = Ue + Ud + 2Um. Ag cur san áireamh gur fuinneamh idirmhalartaithe é fuinneamh piezoelectric, déantar é a dhúbailt. Mar sin, is féidir linn an chomhéifeacht cúplála leictrimheicniúla a shainiú ar bhealach eile: K = Um / ( UeUd) 1/2. Nó: K = Meánluach geoiméadrach an fhuinnimh piezoelectric / fuinneamh leaisteach agus fuinneamh tréleictreach. Is é an chúis atá le meánluach geoiméadrach an fhuinnimh leaisteacha agus an fhuinnimh thréleictreach a roghnú ná dáileadh fuinnimh gach cuid bídeach den chriostail piezoelectric a mheas. Ar an mbealach seo, is féidir linn a rá gurb é an comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla an cóimheas idir an fuinneamh is féidir a thiontú go piezoelectric i méid aonad d'ábhar piezoelectric. Mar shampla, ní féidir Ud agus Ue a thiontú go piezoelectrically, Ach ní caillteanas fuinnimh é. Maidir le hábhair shonracha, mar shampla Grianchloch, tá an caillteanas fuinnimh beag agus tá an éifeachtacht chomhshó an-ard, ach tá a chomhéifeacht cúplála leictrimheicniúla níos ísle ná criadóireacht piezoelectric, cé nach bhfuil éifeachtacht chomhshó na criadóireachta piezoelectric ard. Is féidir cuid mhór a thiontú go piezoelectrically, rud a chiallaíonn go bhfuil a chomhéifeacht cúplála leictrimheicniúla ard. Ón áit seo is féidir linn an difríocht idir comhéifeacht agus éifeachtúlacht cúplála leictrimheicniúla a aithint. Is é an comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla cóimheas fuinnimh, gan toise, agus is é a luach uasta 1, nuair a K = 0, ciallaíonn sé nach dtarlaíonn aon éifeacht piezoelectric. Is iad seo a leanas na comhéifeachtaí cúplála leictrimheicniúla coitianta:

(1) Comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla Kp le haghaidh creathadh gathacha (ar a dtugtar comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla comhphlánacha): Léiríonn an éifeacht cúplála leictrimheicniúla de chriostail piezoelectric tanaí-chruthach diosca nuair a bhíonn sé faoi chreathadh teileascópach gathacha, ar choinníoll go bhfuil an trastomhas wafer ≥3 huaire an tiús wafer an treo t ization, a thiús i bhfeidhm réimse leictreach agus treo an treo polaraithe.

(2) Creathadh trasnánach (creathadh fad trasnánach) comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla K31 léiríonn an éifeacht cúplála leictrimheicniúla nuair a leathán fada-chruthach criostail piezoelectric leis an treo tiús mar an treo polaraithe síneadh agus conarthaí sa treo fad, ar choinníoll go bhfuil fad an leatháin l≥3 huaire. Leithead agus tiús na calóga.

(3) Comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla K33 de chreathadh fadaimseartha (creathadh fadaimseartha): léiríonn sé an éifeacht cúplála leictrimheicniúla de chreathadh teileascópach feadh an treo fad nuair a bhíonn an criostail piezoelectric caol-chruthach slat polaraithe sa treo tiús, agus tá treo an réimse leictrigh mar an gcéanna leis an treo polaraithe. Is é an coinníoll leithead slat agus tiús nó trastomhas le fad l≥3 huaire.

(4) Comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla Kt de chreathadh tiús: léiríonn sé an éifeacht cúplála leictrimheicniúla de chriostail piezoelectric múnlaithe bileog polaraithe sa treo tiús agus tá treo an réimse leictrigh freisin sa treo tiús. Is é an coinníoll go bhfuil tiús an wafer níos lú ná fad taobh nó trastomhas an wafer.

(5) Comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla de thiús creathadh lomadh K15: Léiríonn sé an éifeacht cúplála leictrimheicniúla de thiús creathadh lomadh criostail piezoelectric.

Go hachomair, is féidir linn a thabhairt i gcrích gurb iad seo a leanas na príomhphrionsabail roghnóireachta nuair a bhíonn ábhair piezoelectric á roghnú chun trasducers piezoelectric a dhéanamh in iarratais phraiticiúla ar thástáil ultrasonaic: (1) Dá mhéad luach d33-- d33, is amhlaidh is fearr an fheidhmíocht astaíochta. . Ar ndóigh, nuair a bhíonn trasducer tarchurtha á dhéanamh, is fearr ábhar a roghnú le luach d33 chomh mór agus is féidir; (2) Dá mó an luach g33-- g33, is amhlaidh is fearr an fheidhmíocht glactha. Ar ndóigh, más mian leat trasducer glactha a dhéanamh, ba cheart duit ábhar a bhfuil luach mór g33 aige a roghnú a oiread agus is féidir; nuair is gá duit trasducer a dhéanamh a chomhcheanglaíonn tarchur agus fáiltiú araon, mar bhreithniú cuimsitheach, ba cheart duit luach a roghnú gar do agus chomh mór le d33 agus g33 freisin. (3) Impedance fuaimiúil Z (Z = ρc) - Ag cur san áireamh go bhfuil baint ag frithchaitheamh agus tarchur na dtonnta ultrasonaic leis an difríocht i impedance fuaimiúil idir an meán. is é an difríocht níos lú i impedance fuaimiúil an tarchur ultrasonaic níos airde. Chun an oiread tonnta ultrasonaic agus is féidir a bhaint as an trasducer piezoelectric isteach sa mheán tástála, ba cheart ábhar piezoelectric a bhfuil a impedance fuaimiúil chomh gar agus is féidir do impedance fuaimiúil an mheáin teagmhála a roghnú. Ba chóir a thabhairt faoi deara go ndéanfaidh an réimse leictrigh difear don treoluas fuaime dealraitheach san ábhar piezoelectric, agus fiú go n-athróidh impedance fuaimiúil an ábhair piezoelectric sa stát oibre. (4) Comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla Kt de chreathadh tiús - Sa teicneolaíocht braite ultrasonaic, is é an t-iarratas is tábhachtaí ná an sliseanna piezoelectric cineál creathadh tiús, mar sin is mó an luach Kt, is amhlaidh is fearr an fheidhmíocht chomhshó leictrimheicniúla, a bhfuil íogaireacht an trasducer níos airde. (5) Comhéifeacht cúplála leictrimheicniúla Kp de chreathadh gathacha - Nuair a bhíonn an sliseanna piezoelectric ag feidhmiú creathadh tiús, tá creathadh gathacha ann freisin ag an am céanna, rud a chuirfidh isteach ar an tonnchrith tiús agus ina chúis le saobhadh tonnform, méadú nó méadú torainn, etc. Táthar ag súil go mbeidh an luach Kp chomh beag agus is féidir. Go ginearálta, is amhlaidh is mó an luach Kt / Kp, is amhlaidh is fearr.

(6) Tairiseach tréleictreach ε - Cruthaíonn an sliseog piezoelectric toilleoir tar éis na leictreoidí a bheith brataithe, agus cloíonn a toilleas le C = εA / t, is é sin, an tairiseach tréleictreach ε, achar coibhneasta A na n-leictreoidí, agus an spásáil leictreoid (wafer Tiús) t gaolmhar. Sa chiorcad, ciallaíonn toilleas beag imoibríocht capacitive mór, atá oiriúnach le húsáid mar eilimint piezoelectric ard-minicíochta. Go háirithe, oibríonn trasducer braite ultrasonaic den chuid is mó sa raon minicíochta megahertz, agus mar sin tá sé riachtanach go mbeadh ε an ábhair piezoelectric níos lú. Os a choinne sin, nuair a úsáidtear é chun comhpháirteanna piezoelectric íseal-minicíochta a dhéanamh (cosúil le cainteoirí agus micreafóin sa raon fuaime), ba cheart ábhar le ε mór a roghnú chun freastal ar riachtanais meaitseála cumas mór agus imoibríocht íseal capacitive. Ba chóir a thabhairt faoi deara go bhfuil luach ε bainteach freisin le saoirse mheicniúil an trasducer, is é sin, tá tairisigh tréleictreach an stáit clampála meicniúil agus an stát saor in aisce meicniúil difriúil, agus mar sin tá difríochtaí idir εe agus ετ. Ina theannta sin, tá an gaol idir ε agus minicíocht níos íogaire freisin, mar sin ba cheart an luach ε a thomhas i ndáiríre ar choinníoll na minicíochta oibriúcháin ar leith. Ciallaíonn sé go bhfuil minicíocht athshondais níos airde ag sliseoga piezoelectric den tiús céanna, nó go bhfuil tiús an wafer níos mó ag an minicíocht athshondais chéanna, atá áisiúil chun comhpháirteanna ard-minicíochta a phróiseáil agus a mhonarú. Dá bhrí sin, ba cheart ábhar le luach Nt níos mó a roghnú.

(8) Ferroelectric Curie point Tc - Ní bhíonn ach ferroelectricity ag an gcriostal ferroelectric laistigh de raon teochta áirithe. Nuair a shroicheann an teocht an pointe curie ferroelectric, caillfidh an criostail ferroelectricity, agus tá na hairíonna tréleictreach, piezoelectric, optúla, leaisteacha agus teirmeacha uile neamhghnácha. Níl ach pointe curie amháin ag an chuid is mó de ferroelectrics, ach tá pointí curie uachtaracha agus níos ísle ag cúpla ferroelectrics, agus níl ferroelectricity acu ach amháin sa raon teochta idir na pointí curie uachtaracha agus íochtaracha. Mar shampla, is é an pointe curie uachtarach de titanate siorcónáit luaidhe ná 115-120 ° C agus is é an pointe curie níos ísle ná -5 ° C. Má chuirtear titanate cailciam 5% le titanate bhairiam, is féidir leis an bpointe curie níos ísle teacht ar -40 ° C. . Ina theannta sin, níl aon phointe curie ag roinnt ferroelectrics, mar shampla roinnt ábhair piezoelectric polaiméire speisialta (toisc go bhfuil siad leáite nó fiú dóite nuair a shroicheann siad teocht áirithe).

Ba chóir a thabhairt faoi deara, nuair nach bhfuil an teocht iarbhír tar éis an pointe curie a bhaint amach, go bhfuil laghdú nó meath suntasach tagtha ar fheidhmíocht go leor trasducers piezoelectric (cosúil le Kt, etc.) (mar shampla, meathlaíonn an probe titanate bhairiam ag 60-70 ° C) Thairis sin, níl an teocht is airde ag ar féidir leis oibriú comhionann le bheith in ann seasamh leis na hathruithe teochta tobann lena n-áirítear na hathruithe teochta tobann. de leathnú teirmeach. Dá bhrí sin, i gcás teochtaí níos airde mar luaidhe leictreoid táthú agus téamh le linn an bloc ionsú a dhoirteadh le linn úsáid iarbhír an trasducer agus an próiseas chun an trasducer a dhéanamh, Nuair a bhíonn ábhar piezoelectric á roghnú, ba cheart aird ar leith a thabhairt ar choinníollacha oibriúcháin an trasducer.

(9) Fachtóir cáilíochta meicniúil Qm agus fachtóir cáilíochta leictreach Qe-In iarratais phraiticiúla, má tá na luachanna Qm agus Qe mór, beidh feiniméan 'fáinne' ann, rud a fhágann go mbeidh saobhadh tonnform agus réiteach laghdaithe, nach gcuidíonn le braite. Éiríonn an scéal. Dá bhrí sin, ag tosú ó riachtanais na teicneolaíochta braite, d'fhonn tréithe an chomhartha macalla a léiriú go fírinneach agus a chinntiú go gcomhlíonann an réiteach braite na ceanglais braite, ní mheastar go ginearálta go mbeidh Qm agus Qe ró-mhór. Chomh maith le bheith á gcur san áireamh agus ábhair á roghnú, agus trasducers á ndearadh agus á ndéanamh, ní mór na luachanna Minicíocht, Qm agus Qe a laghdú go cuí trí mhéadú ar an taise ar an struchtúr agus an impedance ar an gciorcad a athrú. Ar ndóigh, tagann laghdú ar luachanna Qm agus Qe ar chostas íogaireacht (cumhacht aschuir laghdaithe). Dá bhrí sin, ba cheart an luach Q cuí a roghnú agus a choigeartú de réir riachtanais an iarratais iarbhír (de réir na taithí, níor cheart go mbeadh luach Q iarbhír an trasducer braite ultrasonaic níos mó ná 10).

(10) Feidhmíocht aosaithe na n-ábhar piezoelectric feadán sorcóra piezoceramic -Beidh athruithe do-aisiompaithe le himeacht ama ar airíonna piezoelectric na n-ábhar piezoelectric polaraithe. Tugtar “aosú” ar an bhfeiniméan seo, amhail tairiseach tréleictreach, Caillteanais thréleictreacha, tairisigh piezoelectric, comhéifeachtaí cúplála leictrimheicniúla, agus leaisteachas de ghnáth le laghdú le himeacht ama, agus méadaíonn tairisigh minicíochta agus luachanna meicniúla Q de réir a chéile. Tá athrú na bparaiméadar seo líneach go bunúsach le luach logartamach an ama. De ghnáth breathnaítear air mar aonad deich mbliana, ar a dtugtar “aosú deich mbliana”. Ar ndóigh, léiríonn an t-innéacs seo cobhsaíocht ama na n-ábhar piezoelectric. Agus trasducers piezoelectric á ndéanamh, ba cheart aird chuí a thabhairt freisin ar ábhair a roghnú le cobhsaíocht ama níos fearr. Ar thrasduchtóir ultrasonaic ar leith, beidh an feiniméan seo ag dul in aois a léiriú go sonrach in íogaireacht, áitiú tonn tosaigh, agus leibhéal torainn leictreach. Dá bhrí sin, ba cheart aird a thabhairt freisin ar an éifeacht atá ag dul in aois ar cheannach agus ar stóráil an trasducer.

(11) Cobhsaíocht theirmeach na n-ábhar piezoelectric-Tagraíonn sé seo d'airíonna piezoelectric na n-ábhar piezoelectric atá seasmhach nó neamh-dhíghrádaithe tar éis tréimhse oibríochta leanúnach i raon teochta áirithe faoi bhun an phointe curie, go háirithe le haghaidh timpeallachtaí teocht ard. Ba cheart an trasducer oibre a roghnú as ábhair le cobhsaíocht theirmeach maith.
Is iad na 11 mhír thuas na príomhbhreithnithe agus na prionsabail roghnúcháin nuair a roghnaíonn muid ábhair piezoelectric chun trasducers tástála ultrasonaic a dhéanamh. Ba cheart dúinn machnamh cuimsitheach a dhéanamh agus a roghnú go cuí de réir an fheidhmchláir agus na riachtanais shonracha.