Princip rada piezoelektričnog keramičkog pretvarača

Pregled piezoelektrični keramički pretvornici

Piezoelektrični keramički pretvornik sastoji se od piezoelektričnog keramičkog kristala te dva laka i teška metala. Nakon polarizacijske obrade na određenoj temperaturi, ima piezoelektrični učinak. Piezoelektrični keramički ultrazvučni pretvornici već su dugo ušli u polje istraživanja ljudi. Jednostavan je za proizvodnju, ima snažnu upravljivost, visoku osjetljivost i dobru elektromehaničku spojku. Pretvornici  razvijeni  na temelju piezoelektrične keramike uključuju moćne ultrazvučne pretvornike i detekcijske ultrazvučne pretvornike.

Ultrazvučna tehnologija široko je korištena tehnologija ispitivanja bez razaranja. Temelji se na akustičkoj teoriji i kontinuirano se koristi u područjima elektronike, komunikacija, medicine, biologije i fizike. U modernoj tehnologiji detekcije, sonde razvijene pomoću ultrazvučne tehnologije dobivaju sve više pozornosti zbog svoje visoke osjetljivosti i visoke točnosti.

Pretvornici koji se često koriste u postupku inspekcije su pretvornici s piezo prstenima, magnetostrikcijski pretvornici, elektromagnetski akustični pretvornici i laserski pretvornici. Najčešće korišteni je piezoelektrični pretvarač, čija je glavna komponenta piezoelektrični čip. Piezoelektrična pločica se pod pritiskom može deformirati, što dovodi do polarizacije same pločice, te se na površini pločice pojavljuju pozitivni i negativni vezani naboji. Ovaj učinak je piezoelektrični učinak. Štoviše, piezoelektrični učinak je reverzibilan, odnosno deformira se kada se na pločicu dovede napon. U procesu detekcije, ultrazvučni senzor može generirati ultrazvučne valove korištenjem inverznog piezoelektričnog učinka i koristiti piezoelektrični učinak za postizanje svrhe primanja ultrazvučnih valova. Piezoelektrični keramički ultrazvučni pretvornici već su dugo ušli u polje istraživanja ljudi. Jednostavan je za proizvodnju, ima snažnu upravljivost, visoku osjetljivost i dobru elektromehaničku spojku. Pretvornici razvijeni na temelju piezoelektrične keramike uključuju moćne ultrazvučne pretvornike i detekcijske ultrazvučne pretvornike.

Princip rada piezoelektričnog keramičkog pretvarača

Načelo piezoelektričnih keramičkih pretvarača je da kada se pritisak ili napetost primijeni na pzt  keramiku, naboji suprotnih polariteta generiraju se na oba kraja keramike, a struja se generira kroz krug. Taj se učinak naziva piezoelektrični učinak. Ako se pretvarač izrađen od ove piezoelektrične keramike stavi u vodu, tada će se pod djelovanjem zvučnih valova inducirati naboji na oba kraja pretvarača, koji je prijemnik akustičnih valova. Osim toga, piezoelektrični učinak je reverzibilan. Ako se na piezoelektričnu keramičku ploču primijeni izmjenično električno polje, piezo keramička ploča će s vremena na vrijeme postati tanja i deblja te će u isto vrijeme stvarati vibracije i emitirati zvučne valove. Stoga je problem ultrazvučnog odašiljača riješen.

Postoje dvije vrste piezokeramičke prstenaste komponente  mag netostrikcijski metal i piezoelektrična keramika. Svrha ovog članka je dizajn pretvornika za mehaničku ultrazvučnu obradu velike snage, stoga se raspravlja samo o piezoelektričnim keramičkim pretvornicima. Kao neka vrsta mreže za prijenos energije, piezoelektrični keramički pretvornik ima problem učinkovitosti pretvorbe energije. Učinkovitost pretvorbe povezana je s izborom materijala pretvornika, oblikom vibracije, strukturom mehaničkog vibracijskog sustava (uključujući potporni mehanizam) i radnom frekvencijom. Stoga, pri projektiranju ultrazvučnih sondi, treba uzeti u obzir različite čimbenike, kao što su akustična impedancija, frekvencijski odziv, usklađivanje impedancije, akustička struktura, način vibracija i materijali za pretvorbu, kao i kako dizajnirati i koordinirati te čimbenike kako bi se postigla najbolja vrijednost elektroakustičke pretvorbe.

Piezoelektrični keramički pretvornik je elektronički keramički materijal s piezoelektričnim karakteristikama. Glavna razlika od tipičnog piezoelektričnog kvarcnog kristala koji ne sadrži feroelektrične komponente je u tome što su kristalne faze koje čine njegove glavne komponente feroelektrična kristalna zrna. Budući da su piezo keramike polikristalni agregati s nasumično orijentiranim zrncima, vektor spontane polarizacije svakog feroelektričnog zrna također je dezorijentiran. Kako bi piezo keramika s pokazala makro piezoelektrična svojstva, piezoelektrična keramika mora biti polarizirana u jakom istosmjernom električnom polju nakon pečenja, a krajnja strana je podvrgnuta višestrukim elektrodama, tako da je polarizacijski vektor izvorne orijentacije poremećaja preferirano usmjeren u smjeru električnog polja. Nakon polarizacijskog tretmana, piezoelektrična keramika će zadržati određeni makro rezidualni intenzitet polarizacije, tako da keramika ima određeni tlak.

Primjena piezoelektričnog keramičkog pretvarača

Zbog beskontaktnih prednosti ultrazvučne tehnologije, pokušajte primijeniti piezoelektrični keramički ultrazvučni pretvarači u sustav detekcije koncentracije tekućine. Čip u sustavu koristi Spartan 3E seriju FPGA. Piezoelektrični keramički pretvornik ima važnu ulogu u prijenosu i primanju signala. Ultrazvučni signal određene frekvencije i amplitude koji generira pretvornik dovodi se u tekućinu kroz odašiljački krug. Nakon što je signal prigušen tekućinom, signal s informacijom o koncentraciji tekućine može se primiti od prijemnog pretvarača. Analizom metode prigušivanja zvuka učinkovito se dobiva približna koncentracija tekućine. Softverski dizajn sustava uključuje glavni program, program za ultrazvučna mjerenja, program za kontrolu pulsa, program za primopredajnik impulsa, program za kontrolu akvizicije ADC-a i program za sat i alarm.

U eksperimentu se prvo može izmjeriti statična tekućina, metoda ultrazvučnog slabljenja koristi se za analizu signala prikupljenog na prijemnom kraju, omotnica se obrađuje, a informacije o koncentraciji dobivaju se kombiniranjem putanje širenja signala (promjer cijevi). Zatim se provodi dinamičko mjerenje dinamičke tekućine, a put širenja signala treba uzeti u obzir brzinu protoka tekućine kako bi se izračunao približni put.