अल्ट्रासोनिक दूरी ट्रांसड्यूसर में प्रयुक्त पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का अनुप्रयोग

पिछले 20 वर्षों में,पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की लागत देश और विदेश में तेजी से विकसित हुई है। सरल उत्पादन, कम लागत और अच्छी स्थिरता के अपने फायदों के कारण, इन्हें इलेक्ट्रॉनिक्स, प्रकाश, गर्मी और ध्वनिकी के क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है और इनकी एक विस्तृत श्रृंखला है। अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक से बने होते हैं जो अच्छी दिशा के साथ अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न कर सकते हैं। वे गति और दूरी जैसे मापदंडों को मापने के लिए आदर्श हैं, और कठोर पर्यावरणीय परिस्थितियों में स्थिर और विश्वसनीय रूप से काम कर सकते हैं।

अल्ट्रासोनिक रेंजिंग डिवाइस के बारे में, अल्ट्रासोनिक 20 kHz से अधिक आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों को संदर्भित करता है, जो एक यांत्रिक तरंग है। इसकी अच्छी दिशात्मकता और पर्यावरण के प्रति सहनशीलता के कारण, इसका उपयोग टॉर्क माप प्रौद्योगिकी में किया जाता है। अल्ट्रासोनिक रेंजिंग डिवाइस एक गैर-संपर्क रेंजिंग तकनीक है। विधियों में मुख्य रूप से पल्स विधि, चरण विधि और आवृत्ति रूपांतरण विधि शामिल हैं। अल्ट्रासोनिक रेंजिंग डिवाइस मुख्य रूप से पल्स विधि का उपयोग करता है। पल्स विधि सीधे उस समय को मापकर दूरी मान निर्धारित करती है जिसके दौरान वाहक पल्स सिग्नल मापी जाने वाली दूरी पर आगे और पीछे यात्रा करता है। का सूत्र पीजो प्लेट ऊर्जा उत्पादन D=Vt2D/2 है, जहां D मापी जाने वाली दूरी है; V हवा में वाहक की प्रसार गति है; t2D वाहक की राउंड ट्रिप का समय है। पल्स विधि की सटीकता समय माप की सटीकता से प्रभावित होती है, और समय माप की सटीकता दोलन आवृत्ति से प्रभावित होती है। यदि अल्ट्रासोनिक तरंग को वाहक के रूप में उपयोग किया जाता है और दूरी माप सटीकता D≤1cm है, तो समय परीक्षण सटीकता t≤5.9×10-5s होनी आवश्यक है, अर्थात, जब तक दोलन आवृत्ति 1.7×104 हर्ट्ज तक पहुंचती है, इसे लागू करना बहुत आसान है।

पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करके बनाए जाते हैं। ध्रुवीकृत पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री लागू विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत यांत्रिक विरूपण से गुजरती है। इसे व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है। इसके विपरीत, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का यांत्रिक विरूपण भी एक वोल्टेज उत्पन्न करता है, जिसे सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है। व्युत्क्रम पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग करके, उच्च-आवृत्ति वोल्टेज को अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करने के लिए उच्च-आवृत्ति यांत्रिक कंपन में परिवर्तित किया जा सकता है; सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग प्राप्त अल्ट्रासोनिक कंपन को विद्युत संकेत में परिवर्तित करने के लिए भी किया जा सकता है। इस प्रकार अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर काम करता है। पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर को विद्युत और यांत्रिक छोर वाले चार-टर्मिनल नेटवर्क के रूप में देखा जा सकता है।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का चयन पीजो इलेक्ट्रिक प्लेट्स का मतलब है कि अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर बनाने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री में पीजोइलेक्ट्रिक सिंगल क्रिस्टल, पॉलीक्रिस्टलाइन पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक, पीजोइलेक्ट्रिक हाई पॉलिमर और पीजोइलेक्ट्रिक मिश्रित सामग्री शामिल हैं। उनमें से, लेड जिरकोनेट टाइटेनेट पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में उच्च यांत्रिक शक्ति, तापमान और आर्द्रता प्रतिरोध, कम लागत और अच्छे इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन प्रभाव के फायदे हैं, और अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। अल्ट्रासोनिक रेंज फाइंडर में अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर वाइब्रेटर सामग्री के रूप में लेड जिरकोनेट टाइटेनेट पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का उपयोग करता है।

यदि दो लम्बी हैं पीजोइलेक्ट्रिक डिस्क पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल को एक साथ बांधा जाता है, जब एक रोमांचक विद्युत क्षेत्र को लंबा करने और दूसरे को छोटा करने के लिए लागू किया जाता है, तो झुकने वाला कंपन उत्पन्न हो सकता है। समान मोटाई और ध्रुवीकरण के बंधी हुई दो पीजो सिरेमिक शीट विपरीत दिशाओं में ध्रुवीकृत होती हैं, और बिजली की आपूर्ति से श्रृंखला में जुड़ी होती हैं; समान ध्रुवीकरण दिशा वाली दो पीजो सिरेमिक शीटों के समानांतर कनेक्शन मोड दिखाए गए हैं। दो पीजो सिरेमिक चिपकने वाली शीटों में, विद्युत क्षेत्र केवल उनमें से एक को झुकने वाला कंपन उत्पन्न करने के लिए उत्तेजित करता है। इसी तरह, दो पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक शीट को एक पतली धातु की शीट से जोड़ना, या एक सिरेमिक शीट को एक पतली धातु की शीट से जोड़ना भी एक झुकने वाली कंपन मोटाई उत्पन्न कर सकता है। झुकने वाले कंपन मोड की गुंजयमान आवृत्ति fr और शीट की लंबाई। कुल मोटाई t और चिपकने वाली शीट के बीच संबंध fr = Nlttl2 है, जहां Nlt एक आवृत्ति स्थिरांक है। मोटाई झुकने वाला कंपन मोड 500 हर्ट्ज से 100 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति रेंज पर लागू होता है। ऐसे वाइब्रेटर का आकार आम तौर पर सिरेमिक शीट की चौड़ाई, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3.5t होता है। मोटाई कतरनी कंपन मोड की विशेषता यह है कि इलेक्ट्रोड सतह ध्रुवीकरण दिशा के समानांतर है, और पीजो सिरेमिक शीट एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत मोटाई दिशा में कतरनी कंपन के अधीन है। मोटाई कतरनी मोड को उत्तेजित करना अपेक्षाकृत आसान है, और इसका उपयोग मुख्य रूप से 10 से 60 kHz की उच्च आवृत्ति रेंज में किया जाता है, जिसका विस्तार से वर्णन नहीं किया जाएगा। अल्ट्रासोनिक रेंज फाइंडर में, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर अल्ट्रासोनिक तरंगों का उत्सर्जन करता है, और वाइब्रेटर कंपन का आयाम बड़ा होता है, इसलिए झुकने वाला कंपन मोड बेहतर होता है। साथ ही, क्योंकि हवा की ध्वनिक प्रतिबाधा बेहद कम है, एक सामान्य पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए इसके साथ मिलान प्रतिबाधा प्राप्त करना असंभव है, और इसलिए इसे एक संक्रमण परत के माध्यम से महसूस किया जाना चाहिए। यह पाया गया है कि पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक टुकड़ा पतली धातु के टुकड़े से बंधा हुआ है, और पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर अल्ट्रासाउंड का उपयोग झुकने वाले कंपन मोड को उत्पन्न करने के लिए उत्तेजना स्रोत के रूप में किया जाता है, जिसमें एक बड़ा आयाम और एक छोटा ध्वनिक प्रतिबाधा होता है, और हवा के साथ ध्वनिक प्रतिबाधा मिलान प्राप्त कर सकता है। . यह लेख पीजो सिरेमिक शीट और पतली धातु शीट की बंधी हुई संरचना के रूप में है।

 पतली धातु की चादरें पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और इलेक्ट्रोड को पहनने और क्षति से बचाने के लिए एक सुरक्षात्मक फिल्म के रूप में भी काम कर सकती हैं। सामग्री को उच्च स्थिरता निकल क्रोमियम टाइटेनियम मिश्र धातु से चुना जा सकता है। चूँकि पतली धातु अधिक होती है, इसलिए ध्वनि का दबाव प्रत्यावर्ती संप्रेषण होता है, धातु के टुकड़े को पतला डिज़ाइन किया जाता है, आम तौर पर लगभग 0.1 मिमी। अल्ट्रासोनिक रेंज फाइंडर में वाइब्रेटर के आकार और आकार के लिए आवश्यक है कि प्रसारित अल्ट्रासोनिक क्षेत्र पंखे के आकार का हो, तरंग स्रोत के रूप में एक आयताकार वाइब्रेटर के उपयोग पर विचार करें। पिस्टन कंपन के लिए लंबाई L और चौड़ाई W का एक आयताकार तरंग स्रोत का उपयोग किया जाता है, और गैस माध्यम में विकिरणित अनुदैर्ध्य तरंग ध्वनि क्षेत्र डिस्क स्रोत के समान होता है। विकिरण का मुख्य किरण एक चतुर्भुज पिरामिड है, जो आयताकार तरंग स्रोत के दिशात्मक मुख्य लोब का एक परिप्रेक्ष्य दृश्य है। अल्ट्रासोनिक रेंज फाइंडर एकल आवृत्ति रेंजिंग के लिए 36 kHz अल्ट्रासोनिक तरंग उत्सर्जित करता है, अर्थात, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ऑसिलेटर की गुंजयमान आवृत्ति 36 kHz है। यह आवृत्ति न केवल पता लगाने की सीमा, सटीकता और संवेदनशीलता के लिए सिस्टम की आवश्यकताओं को पूरा करती है, बल्कि प्रसारित अल्ट्रासोनिक तरंगों को वायु प्रसार में उच्च दक्षता प्रदान करती है। सूत्र गणना और प्रायोगिक सुधार के माध्यम से, पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक आयताकार वाइब्रेटर का आकार इस प्रकार निर्धारित किया जाता है: एल = 26.5 मिमी, डब्ल्यू = 11.2 मिमी, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर को मौलिक आवृत्ति अनुनाद की एक करीबी संरचना के रूप में डिज़ाइन किया गया है, और शेल इंजीनियरिंग प्लास्टिक से बना है। यह धातु और सिरेमिक चिपकने वाली शीट को ठीक और संरक्षित कर सकता है। दो इलेक्ट्रोड पिन क्रमशः लीड तारों के माध्यम से धातु और सिरेमिक टुकड़े के इलेक्ट्रोड से जुड़े होते हैं, और कनेक्शन तरीके को सोल्डर या कम तापमान प्रवाहकीय गोंद द्वारा सोल्डर किया जा सकता है।