Parametri piezoelektričnih materijala i piezoelektrične jednadžbe (3)

(11) Mehanički faktor kvalitete Qm

Kada je PZT materijal piezo keramika koristi se za rezonantne vibracije, potrebno je prevladati unutarnji mehanički gubitak trenja (unutarnja potrošnja), a kada postoji opterećenje, potrebno je prevladati vanjski gubitak opterećenja. Mehanički faktor kvalitete Qmo (mehanička Q vrijednost bez opterećenja) povezan je s tim mehaničkim gubicima. I Qm (mehanička Q vrijednost pod opterećenjem). Definira se kao: Qm = mehanička energija pohranjena od strane piezoelektričnog vibratora pri rezonanciji / mehanička energija izgubljena tijekom perioda rezonancije. Odražava količinu energije koju troši piezoelektrično tijelo da prevlada mehanički gubitak kada vibrira. Veći Qm znači manji gubitak mehaničke energije. Postojanje Qm također ukazuje da je nemoguće za bilo koji piezoelektrični materijal iskoristiti svu ulaznu mehaničku energiju za izlaz. Pri rezonanciji: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], gdje je ZC akustična impedancija piezoelektričnog vibratora; Zl je akustična impedancija tereta; Zb je prigušni blok u akustičnoj impedanciji piezoelektričnog pretvarača. Za piezoelektrični pretvarač, njegovi Qm i Qe nisu konstantni. Oni su povezani s radnom frekvencijom, frekvencijskim pojasom, procesom proizvodnje, strukturom i medijem zračenja (opterećenjem) piezoelektričnog pretvarača. Na piezoelektričnom pretvaraču koji se koristi u tehnologiji ultrazvučne detekcije, kada je Qm previsok, valni oblik vibracije koji generira vibrator lako je učiniti predugačkim (fenomen zvonjenja), što rezultira izobličenjem valnog oblika i nižom rezolucijom. Slično, Qe nije sve veći i veći. O izboru i određivanju Qm i Qe treba odlučiti prema stvarnim potrebama. Velika Q vrijednost znači da je potrošnja energije mala tijekom piezoelektričnog efekta. Može smanjiti količinu proizvedene topline u slučaju primjene velike snage i visoke frekvencije ili čistih prijenosnih snaga, što je prednost. Međutim, za pretvornik u svrhu detekcije, velika Q vrijednost je nepovoljna za širenje frekvencijskog pojasa, poboljšanje valnog oblika i povećanje razlučivosti. Osim toga, budući da se Q vrijednost također mijenja s prirodom opterećenja (na primjer, medij opterećenja s kojim se suočava sonda za uranjanje u vodu i sonda metode kontakta je različit), utjecaj medija opterećenja također se mora uzeti u obzir pri projektiranju pretvarača (impedancija zračenja).

(12) Koeficijent elektromehaničke sprege K
Ovo je važan parametar za ispitivanje piezoelektričnih materijala iz perspektive energije. Njegova definicija je tijekom pozitivnog piezoelektričnog učinka, vanjski napon E = 0, a tu su: K2 = električna energija pohranjena u piezoelektričnom tijelu pod idealnim uvjetima. Ukupna mehanička energija unesena u piezoelektrično tijelo pod uvjetima, ili drugim riječima: K2 = pretvorena mehanička energija koja uzrokuje kretanje naboja između spojenih elektroda / ulazna mehanička energija koja slijedi primijenjeno naprezanje, vanjsko naprezanje τ tijekom inverzni piezoelektrični učinak = 0, da: K2 = mehanička energija pohranjena u piezoelektričnom tijelu pod idealnim uvjetima / ukupni unos električne energije u piezoelektrično tijelo pod idealnim uvjetima ili: K2 = pretvorena električna energija koja uzrokuje mehaničko naprezanje / ulazna električna energija pod tlakom tranzistori imaju elastičnost, dielektricitet i piezoelektricitet u isto vrijeme i rade zajedno. Iz tog razloga potrebno je uvesti ovu fizikalnu veličinu kako bi se ove karakteristike sagledale na objedinjen način, što ukazuje na stupanj čvrstoće sprege između mehaničke energije i električne energije. U fizičkom smislu, opisuje samo pretvorbu i nije jednaka učinkovitost, a pretvorena energija se možda neće u potpunosti pretvoriti u dozračenu ili izlaznu energiju (uključujući unutarnju potrošnju i povratnu vezu, itd.). Naravno, u određenom smislu također se može reći da koeficijent elektromehaničke sprege K predstavlja 'učinkovitost' piezoelektričnog tijela pretvarajući električnu energiju u elastičnu energiju, ili pretvarajući elastičnu energiju u električnu energiju. Uglavnom je određena vrstom piezoelektričnog materijala. Također ovisi o načinu vibracije piezoelektričnog tijela, ali nema nikakve veze s vrijednošću rezonantne frekvencije pretvarača. Osim toga, vrijednost K također ovisi o strukturi piezoelektričnog pretvarača, radnim uvjetima i veličini elektrode i položaju piezoelektričnog tijela. Gustoću energije U (energija u jedinici volumena) piezoelektričnih materijala možemo podijeliti na tri dijela, jedan je gustoća elastične energije, jedan je gustoća energije električnog polja (gustoća dielektrične energije), a jedan je gustoća piezoelektrične energije izmjene Um (izostavite stavke toplinske i magnetske energije).

Prvi dio ovdje je mehanički dio materijala-mehanička elastična energija, drugi dio komponente piezokeramičkog prstena je električni dio - energija električnog polja, a treći dio je gustoća energije međudjelovanja između elastične energije i dielektrične energije. Ukupna unutarnja energija je: U = Ue + Ud + 2Um. S obzirom da je piezoelektrična energija izmjenjiva energija, ona se udvostručuje. Stoga možemo definirati koeficijent elektromehaničke sprege na drugi način: K = Um / ( UeUd) 1/2. Ili: K = Geometrijska srednja vrijednost piezoelektrične energije / elastične energije i dielektrične energije. Razlog za odabir geometrijske srednje vrijednosti elastične energije i dielektrične energije je razmatranje neravnomjerne raspodjele energije svakog sićušnog dijela piezoelektričnog kristala. Na taj način možemo reći da je omjer energije koja se može piezoelektrično pretvoriti u jedinici volumena piezoelektričnog materijala koeficijent elektromehaničke sprege. Na primjer, Ud i Ue ne mogu se piezoelektrično pretvoriti, ali to nije gubitak energije. Za specifične materijale, kao što je kvarc, gubitak energije je mali i učinkovitost pretvorbe je vrlo visoka, ali je njegov koeficijent elektromehaničke sprege niži nego kod piezoelektrične keramike, dok učinkovitost pretvorbe piezoelektrične keramike nije visoka. Velik dio se može piezoelektrično pretvoriti, što znači da je njegov koeficijent elektromehaničke sprege visok. Odavde možemo prepoznati razliku između koeficijenta elektromehaničke sprege i učinkovitosti. Koeficijent elektromehaničke sprege je bezdimenzionalni omjer energije, a njegova maksimalna vrijednost je 1, kada je K = 0, znači da ne dolazi do piezoelektričnog efekta. Uobičajeni koeficijenti elektromehaničke sprege su sljedeći:

(1) Elektromehanički koeficijent sprege Kp za radijalne vibracije (također poznat kao planarni elektromehanički koeficijent sprege): Odražava učinak elektromehaničke sprege tankog piezoelektričnog kristala u obliku diska kada je podvrgnut radijalnim teleskopskim vibracijama, pod uvjetom da je promjer pločice ≥3 puta debljine pločice t , Smjer njegove debljine je smjer polarizacije i smjer primijenjenog električnog polja.

(2) Koeficijent elektromehaničke sprege poprečne vibracije (vibracije poprečne duljine) K31 odražava učinak elektromehaničke sprege kada se piezoelektrični kristal u obliku dugačke ploče sa smjerom debljine kao smjer polarizacije rasteže i skuplja u smjeru duljine, pod uvjetom da je duljina ploče l≥3 puta. Širina i debljina pahuljica.

(3) Koeficijent elektromehaničke sprege K33 uzdužnih vibracija (uzdužne vibracije): odražava učinak elektromehaničke sprege teleskopskih vibracija duž smjera duljine kada je piezoelektrični kristal u obliku vitke šipke polariziran u smjeru debljine, a smjer električnog polja je isti kao smjer polarizacije. Uvjet je širina i debljina štapa ili promjer duljine l≥3 puta.

(4) Koeficijent elektromehaničke sprege Kt vibracija debljine: odražava učinak elektromehaničke sprege piezoelektričnih kristala u obliku lista polariziranih u smjeru debljine, a smjer električnog polja također je u smjeru debljine. Uvjet je da debljina oblatne bude manja od dužine stranice ili promjera oblatne.

(5) Koeficijent elektromehaničke sprege debljinskih posmičnih vibracija K15: odražava učinak elektromehaničke sprege debljinskih smičnih vibracija piezoelektričnog kristala.

Ukratko, možemo zaključiti da su glavna načela odabira pri odabiru piezoelektričnih materijala za izradu piezoelektričnih pretvarača u praktičnim primjenama ultrazvučnog ispitivanja sljedeća: (1) Što je veća vrijednost d33--d33, to je bolja izvedba emisije. . Očito, kada se radi transduktor odašiljača, bolje je odabrati materijal sa što većom vrijednošću d33; (2) Što je veća vrijednost g33--g33, to je bolja izvedba prijema. Očito, ako želite napraviti prijamni pretvarač, trebali biste odabrati materijal s velikom vrijednošću g33 što je više moguće; kada trebate napraviti pretvarač koji kombinira i prijenos i prijem, kao sveobuhvatno razmatranje, trebali biste odabrati vrijednost blisku i veliku kao d33 i g33. (3) Akustična impedancija Z (Z = ρc) - Uzimajući u obzir da su refleksija i propusnost ultrazvučnih valova povezani s razlikom u akustičnoj impedanciji između medija. manja razlika u akustičnoj impedanciji je veća ultrazvučna propusnost. Kako bi što više ultrazvučnih valova iz piezoelektričnog pretvarača ušlo u ispitni medij, treba odabrati piezoelektrični materijal čija je akustična impedancija što bliža akustičnoj impedanciji kontaktnog medija. Treba napomenuti da će postojanje električnog polja utjecati na prividnu brzinu zvuka u piezoelektričnom materijalu, a čak će se i akustična impedancija piezoelektričnog materijala promijeniti u radnom stanju. (4) Koeficijent elektromehaničke sprege Kt vibracija debljine - U tehnologiji ultrazvučne detekcije, najvažnija primjena je piezoelektrični čip debljinske vibracije, tako da što je veća vrijednost Kt, to je bolja izvedba elektromehaničke pretvorbe, što znači da je osjetljivost pretvornika veća. (5) Elektromehanički koeficijent spajanja Kp radijalnih vibracija--Kada piezoelektrični čip izvodi vibracije debljine, u isto vrijeme postoji i radijalna vibracija, koja će ometati vibracije debljine i uzrokovati izobličenje valnog oblika, povećanje ili povećanje buke, itd. Nadamo se da bi vrijednost Kp trebala biti što manja. Općenito, što je veća vrijednost Kt / Kp, to bolje.

(6) Dielektrična konstanta ε—piezoelektrična pločica formira kondenzator nakon što su elektrode obložene, a njezin kapacitet odgovara C = εA / t, to jest dielektrična konstanta ε, relativna površina A elektroda i razmak između elektroda (debljina pločice) t povezani. U krugu, mali kapacitet znači veliku kapacitivnu reaktanciju, koja je prikladna za upotrebu kao visokofrekventni piezoelektrični element. Konkretno, ultrazvučni detekcijski pretvornik uglavnom radi u frekvencijskom području megaherca, pa je potrebno da ε piezoelektričnog materijala bude manji. Nasuprot tome, kada se koristi za izradu niskofrekventnih piezoelektričnih komponenti (kao što su zvučnici i mikrofoni u audio rasponu), treba odabrati materijal s velikim ε kako bi se zadovoljili odgovarajući zahtjevi velikog kapaciteta i niske kapacitivne reaktancije. Treba napomenuti da je vrijednost ε također povezana s mehaničkom slobodom pretvornika, odnosno da su dielektrične konstante mehaničkog steznog stanja i mehaničkog slobodnog stanja različite, pa postoje razlike između εe i ετ. Osim toga, odnos između ε i frekvencije također je osjetljiviji, tako da bi se vrijednost ε zapravo trebala mjeriti pod uvjetom specifične radne frekvencije. To znači da piezoelektrične pločice iste debljine imaju veću frekvenciju rezonancije ili je debljina pločice veća pri istoj frekvenciji rezonancije, što je pogodno za obradu i proizvodnju visokofrekventnih komponenti. Stoga treba odabrati materijal s većom vrijednošću Nt.

(8) Feroelektrična Curiejeva točka Tc--feroelektrični kristal ima feroelektricitet samo unutar određenog temperaturnog raspona. Kada temperatura dosegne feroelektričnu Curie točku, kristal će izgubiti feroelektricitet, a dielektrična, piezoelektrična, optička, elastična i toplinska svojstva su abnormalna. Većina feroelektrika ima samo jednu Curie točku, ali nekoliko feroelektrika ima gornju i donju Curie točku, a imaju feroelektricitet samo u temperaturnom rasponu između gornje i donje Curie točke. Na primjer, gornja curie točka olovo cirkonat titanata je 115-120 °C, a donja curie točka je -5 °C. Ako se 5% kalcijevog titanata doda barijevom titanatu, donja curie točka može doseći -40 °C. Osim toga, neki feroelektrici nemaju curiejevu točku, poput nekih posebnih polimernih piezoelektričnih materijala (jer su se rastalili ili čak izgorjeli kad su dosegli određenu temperaturu).

Treba napomenuti da kada stvarna temperatura nije dosegla curiejevu točku, izvedba mnogih piezoelektričnih pretvarača (kao što je Kt, itd.) značajno se smanjila ili pogoršala (na primjer, sonda barij-titanata se pogoršava na 60-70 °C). Štoviše, najviša temperatura na kojoj može raditi nije jednaka mogućnosti izdržati nagle promjene temperature, što je uzrokovano postojanjem anizotropije uključujući koeficijent toplinskog širenja. Stoga, u slučaju viših temperatura kao što su izvodi elektroda za zavarivanje i zagrijavanje tijekom izlijevanja apsorpcijskog bloka tijekom stvarne upotrebe pretvornika i procesa izrade pretvornika, pri odabiru piezoelektričnog materijala posebno treba obratiti pozornost na radne uvjete pretvornika.

(9) Mehanički faktor kvalitete Qm i električni faktor kvalitete Qe - U praktičnim primjenama, ako su vrijednosti Qm i Qe velike, doći će do fenomena 'zvonjenja', što će rezultirati izobličenjem valnog oblika i smanjenom rezolucijom, što nije pogodno za otkrivanje. Nastaje situacija. Stoga, polazeći od potreba tehnologije detekcije, kako bi se istinski odrazile karakteristike signala odjeka i osiguralo da razlučivost detekcije zadovoljava zahtjeve detekcije, općenito se ne očekuje da Qm i Qe budu preveliki. Uz uzimanje u obzir prilikom odabira materijala, kada se projektiraju i proizvode pretvarači, vrijednosti frekvencije, Qm i Qe moraju se odgovarajuće smanjiti povećanjem prigušenja na strukturi i promjenom impedancije u krugu. Naravno, smanjenje vrijednosti Qm i Qe dolazi nauštrb osjetljivosti (smanjena izlazna snaga). Stoga bi odgovarajuću Q vrijednost trebalo odabrati i prilagoditi u skladu s potrebama stvarne primjene (prema iskustvu, stvarna Q vrijednost ultrazvučne detekcijske sonde ne smije biti veća od 10).

(10) Performanse starenja piezoelektričnih materijala piezokeramička cilindrična cijev - Piezoelektrična svojstva polariziranih piezoelektričnih materijala s vremenom će imati nepovratne promjene. Taj se fenomen naziva 'starenje', kao što su dielektrična konstanta, dielektrični gubici, piezoelektrične konstante, koeficijenti elektromehaničke sprege i elastičnost obično se smanjuju s vremenom, a frekvencijske konstante i mehaničke Q vrijednosti rastu s vremenom. Promjena ovih parametara je u osnovi linearna s logaritamskom vrijednošću vremena. Općenito se smatra jedinicom od deset godina, što se naziva 'desetogodišnje starenje'. Očito, ovaj indeks odražava vremensku stabilnost piezoelektričnih materijala. Pri izradi piezoelektričnih pretvornika dužnu pozornost treba posvetiti i odabiru materijala s boljom vremenskom postojanošću. Na određenoj ultrazvučnoj sondi, ovaj fenomen starenja će se posebno očitovati u osjetljivosti, početnoj okupaciji valova i razini električnog šuma. Stoga treba obratiti pozornost i na učinak starenja na kupnju i skladištenje sonde.

(11) Toplinska stabilnost piezoelektričnih materijala-Ovo se odnosi na piezoelektrična svojstva piezoelektričnih materijala koja su konstantna ili se ne degradiraju nakon razdoblja kontinuiranog rada u određenom temperaturnom rasponu ispod curiejeve točke, posebno za okruženja s visokom temperaturom. Radni pretvarač treba odabrati od materijala s dobrom toplinskom stabilnošću.
Gore navedenih 11 stavki glavna su razmatranja i načela odabira kada biramo piezoelektrične materijale za izradu sondi za ultrazvučno ispitivanje. Trebali bismo sveobuhvatno razmotriti i odabrati odgovarajući prema specifičnoj primjeni i potrebama.