Primjena piezoelektrične keramike koja se koristi u ultrazvučnom pretvorniku udaljenosti

U proteklih 20 godina,cijena piezoelektričnih kristala brzo se razvila u zemlji i inozemstvu. Zbog svojih prednosti jednostavne proizvodnje, niske cijene i dobre stabilnosti, naširoko su korišteni u području elektronike, svjetla, topline i akustike te imaju širok raspon. Ultrazvučni pretvarači izrađeni su od piezoelektrične keramike koja može proizvesti ultrazvučne valove dobre usmjerenosti. Idealni su za mjerenje parametara kao što su brzina i udaljenost i mogu raditi stabilno i pouzdano u teškim uvjetima okoline.

Što se tiče ultrazvučnog uređaja za mjerenje udaljenosti, ultrazvuk se odnosi na zvučne valove s frekvencijom većom od 20 kHz, što je mehanički val. Zbog svoje dobre usmjerenosti i tolerancije na okolinu koristi se u tehnologiji mjerenja momenta. Ultrazvučni uređaj za mjerenje udaljenosti je beskontaktna tehnika mjerenja udaljenosti. Metode uglavnom uključuju pulsnu metodu, faznu metodu i metodu pretvorbe frekvencije. Ultrazvučni uređaj za mjerenje udaljenosti uglavnom koristi pulsnu metodu. Impulsna metoda izravno određuje vrijednost udaljenosti mjerenjem vremena tijekom kojeg signal impulsa nositelja putuje naprijed-natrag preko udaljenosti koju treba izmjeriti. Formula od proizvodnja energije piezo ploče je D=Vt2D/2, gdje je D udaljenost koju treba izmjeriti; V je brzina širenja nosača u zraku; t2D je vrijeme povratnog putovanja prijevoznika. Na točnost pulsne metode utječe točnost mjerenja vremena, a na točnost mjerenja vremena frekvencija osciliranja. Ako se ultrazvučni val koristi kao nositelj i točnost mjerenja udaljenosti je D≤1cm, točnost vremenskog testa mora biti t≤5,9×10-5s, to jest, sve dok frekvencija oscilacija dosegne 1,7×104 Hz, to je vrlo lako implementirati.

Piezoelektrični ultrazvučni pretvornici izrađeni su korištenjem piezoelektričnog učinka piezoelektričnih materijala. Polarizirani piezoelektrični materijal podliježe mehaničkoj deformaciji pod djelovanjem primijenjenog električnog polja. To se naziva inverzni piezoelektrični učinak. Nasuprot tome, mehanička deformacija piezoelektričnog materijala također proizvodi napon, koji se naziva pozitivni piezoelektrični učinak. Korištenjem inverznog piezoelektričnog učinka, visokofrekventni napon se može pretvoriti u visokofrekventnu mehaničku vibraciju za generiranje ultrazvučnih valova; pozitivni piezoelektrični učinak također se može koristiti za pretvaranje primljene ultrazvučne vibracije u električni signal. Ovako radi ultrazvučni pretvarač. Piezoelektrični ultrazvučni pretvornici mogu se promatrati kao mreže s četiri terminala s električnim i mehaničkim krajevima.

Izbor piezoelektričnih materijala piezoelektričnih ploča je da piezoelektrični materijali za izradu ultrazvučnih pretvarača uključuju piezoelektrične monokristale, polikristalnu piezoelektričnu keramiku, piezoelektrične visoke polimere i piezoelektrične kompozitne materijale. Među njima, olovo cirkonat titanat piezoelektrična keramika ima prednosti visoke mehaničke čvrstoće, otpornosti na temperaturu i vlagu, niske cijene i dobrog elektromehaničkog učinka spajanja, te se naširoko koristi u ultrazvučnim pretvaračima. Ultrazvučni pretvarač u ultrazvučnom daljinomjeru koristi piezoelektričnu keramiku od olovnog cirkonata titanata kao materijal vibratora.

Ako su dva izdužena piezoelektrični disk piezoelektrični kristal iste debljine i polarizirani su međusobno povezani, vibracije savijanja mogu se generirati kada se primijeni uzbudljivo električno polje koje uzrokuje produljenje, a drugo skraćivanje. Dvije piezo keramičke ploče koje su spojene polarizirane su u suprotnim smjerovima i spojene su u seriju na napajanje; prikazani su paralelni načini spajanja dviju piezo keramičkih ploča koje imaju isti smjer polarizacije. U dvije piezo keramičke ljepljive ploče, električno polje pobuđuje samo jednu od njih da proizvede vibraciju savijanja. Slično tome, lijepljenje dvije piezoelektrične keramičke ploče na tanku metalnu ploču ili lijepljenje keramičke ploče na tanku metalnu ploču također može proizvesti debljinu vibracije savijanja. Rezonantna frekvencija fr moda vibracija savijanja i duljina ploče. Odnos između ukupne debljine t i ljepljive ploče je fr = Nlttl2, gdje je Nlt konstanta frekvencije. Vibracijski način savijanja debljine primjenjiv je na frekvencijski raspon od 500 Hz do 100 kHz. Veličina takvog vibratora općenito je širina keramičke ploče, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5 t. Način vibracije smicanja debljine je karakteriziran time što je površina elektrode paralelna sa smjerom polarizacije, a piezo keramička ploča podvrgnuta je vibracijama posmicanja u smjeru debljine pod djelovanjem izmjeničnog električnog polja. Mod smicanja debljine je relativno lako pobuditi, a uglavnom se koristi u visokofrekventnom području od 10 do 60 kHz, koji neće biti detaljno opisan. U ultrazvučnom daljinomjeru, piezoelektrični pretvarač emitira ultrazvučne valove, a amplituda vibracije vibratora je velika, tako da je preferirani način vibracije savijanja. U isto vrijeme, budući da je akustična impedancija zraka iznimno niska, nemoguće je za opći piezoelektrični materijal postići usklađivanje impedancije s njim, pa se mora ostvariti pomoću prijelaznog sloja. Utvrđeno je da je piezoelektrični keramički komad vezan za tanki metalni komad, a ultrazvuk piezoelektričnog pretvarača koristi se kao izvor pobude za generiranje načina vibracije savijanja, koji ima veliku amplitudu i malu akustičnu impedanciju, te može postići usklađivanje akustične impedancije sa zrakom. . Ovaj proizvod je u obliku spojene strukture piezo keramičkih ploča i tankih metalnih ploča.

 Tanke metalne ploče također mogu djelovati kao zaštitni film za zaštitu piezoelektrične keramike i elektroda od trošenja i oštećenja. Materijal se može odabrati od visoko stabilne legure nikal krom titan. Budući da je tanji metal veći, zvučni tlak je recipročna propusnost, metalni je komad dizajniran da bude tanak, općenito oko 0,1 mm. Oblik i veličina vibratora u ultrazvučnom daljinomjeru zahtijevaju da emitirano ultrazvučno polje ima oblik lepeze, uzimajući u obzir korištenje pravokutnog vibratora kao izvora valova. Za vibracije klipa koristi se pravokutni izvor valova duljine L i širine W, a zvučno polje longitudinalnog vala koje se zrači u plinovitom mediju slično je izvoru diska. Glavni snop zračenja je četverokutna piramida, perspektivni je prikaz usmjerenog glavnog režnja izvora pravokutnog vala. Ultrazvučni daljinomjer emitira ultrazvučni val od 36 kHz za jednofrekvencijsko određivanje raspona, odnosno rezonantna frekvencija piezoelektričnog keramičkog oscilatora je 36 kHz. Ova frekvencija ne samo da zadovoljava zahtjeve sustava za domet detekcije, točnost i osjetljivost, već također čini da odaslani ultrazvučni valovi imaju veću učinkovitost u širenju zrakom. Kroz izračun formule i eksperimentalnu korekciju, veličina piezoelektričnog keramičkog pravokutnog vibratora određena je kao: L=26,5 mm, W=11,2 mm, piezoelektrični pretvarač je dizajniran kao bliska struktura osnovne frekvencijske rezonancije, a kućište je izrađeno od inženjerske plastike. Može pričvrstiti i zaštititi metalne i keramičke ljepljive ploče. Dvije igle elektrode su redom spojene na elektrodu od metala i keramičkog komada preko vodećih žica, a način povezivanja može se lemiti lemljenjem ili vodljivim ljepilom niske temperature.