Penerapan Keramik Piezoelektrik yang Digunakan pada Transduser Jarak Ultrasonik

Dalam 20 tahun terakhir,biaya kristal piezoelektrik telah berkembang pesat di dalam dan luar negeri. Karena keunggulan produksinya yang sederhana, biaya rendah dan stabilitas yang baik, mereka telah banyak digunakan di bidang elektronik, cahaya, panas dan akustik, dan memiliki jangkauan yang luas. Transduser ultrasonik terbuat dari keramik piezoelektrik yang dapat menghasilkan gelombang ultrasonik dengan directivity yang baik. Mereka ideal untuk mengukur parameter seperti kecepatan dan jarak, serta dapat bekerja secara stabil dan andal dalam kondisi lingkungan yang keras.

Tentang perangkat jangkauan ultrasonik, ultrasonik mengacu pada gelombang suara dengan frekuensi lebih tinggi dari 20 kHz, yang merupakan gelombang mekanis. Karena arah dan toleransinya yang baik terhadap lingkungan, maka digunakan dalam teknologi pengukuran torsi. Perangkat jangkauan ultrasonik adalah teknik jangkauan non-kontak. Metode tersebut terutama mencakup metode pulsa, metode fase dan metode konversi frekuensi. Perangkat pengukur ultrasonik terutama menggunakan metode pulsa. Metode pulsa secara langsung menentukan nilai jarak dengan mengukur waktu selama sinyal pulsa pembawa bergerak maju mundur sepanjang jarak yang akan diukur. Rumus dari pembangkitan energi pelat piezo adalah D=Vt2D/2, dimana D adalah jarak yang akan diukur; V adalah kecepatan rambat pembawa di udara; t2D adalah waktu perjalanan pulang pergi pembawa. Keakuratan metode pulsa dipengaruhi oleh keakuratan pengukuran waktu, dan keakuratan pengukuran waktu dipengaruhi oleh frekuensi osilasi. Jika gelombang ultrasonik digunakan sebagai pembawa dan akurasi pengukuran jarak D≤1cm, akurasi pengujian waktu harus t≤5.9×10-5s, yaitu selama frekuensi osilasi mencapai 1.7×104 Hz, ini sangat mudah diterapkan.

Transduser ultrasonik piezoelektrik dibuat dengan menggunakan efek piezoelektrik dari bahan piezoelektrik. Bahan piezoelektrik terpolarisasi mengalami deformasi mekanis di bawah pengaruh medan listrik yang diterapkan. Hal ini disebut efek piezoelektrik terbalik. Sebaliknya deformasi mekanis bahan piezoelektrik juga menghasilkan tegangan yang disebut efek piezoelektrik positif. Dengan menggunakan efek piezoelektrik terbalik, tegangan frekuensi tinggi dapat diubah menjadi getaran mekanis frekuensi tinggi untuk menghasilkan gelombang ultrasonik; efek piezoelektrik positif juga dapat digunakan untuk mengubah getaran ultrasonik yang diterima menjadi sinyal listrik. Beginilah cara kerja transduser ultrasonik. Transduser ultrasonik piezoelektrik dapat dilihat sebagai jaringan empat terminal dengan ujung listrik dan mekanik.

Pilihan bahan piezoelektrik pelat listrik piezo adalah bahan piezoelektrik untuk pembuatan transduser ultrasonik antara lain kristal tunggal piezoelektrik, keramik piezoelektrik polikristalin, polimer tinggi piezoelektrik, dan bahan komposit piezoelektrik. Diantaranya, keramik piezoelektrik timbal zirkonat titanat memiliki keunggulan kekuatan mekanik yang tinggi, ketahanan suhu dan kelembaban, biaya rendah dan efek kopling elektromekanis yang baik, dan telah banyak digunakan dalam transduser ultrasonik. Transduser ultrasonik pada pengintai ultrasonik menggunakan keramik piezoelektrik titanat zirkonat timbal sebagai bahan vibrator.

Jika dua memanjang piringan piezoelektrik kristal piezoelektrik dengan ketebalan yang sama dan terpolarisasi diikat menjadi satu, getaran lentur dapat dihasilkan ketika medan listrik yang menarik diterapkan menyebabkan memanjang dan yang lainnya memendek. Dua lembar keramik piezo yang diikat dipolarisasi dalam arah yang berlawanan, dan dihubungkan secara seri ke catu daya; mode koneksi paralel dari dua lembaran keramik piezo yang memiliki arah polarisasi yang sama ditampilkan. Pada dua lembar perekat keramik piezo, medan listrik hanya menggairahkan salah satunya sehingga menghasilkan getaran lentur. Demikian pula, merekatkan dua lembar keramik piezoelektrik ke lembaran logam tipis, atau merekatkan lembaran keramik ke lembaran logam tipis, juga dapat menghasilkan ketebalan getaran lentur. Frekuensi resonansi fr mode getaran lentur dan panjang lembaran. Hubungan antara tebal total t dan lembaran perekat adalah fr = Nlttl2, dimana Nlt adalah konstanta frekuensi. Mode getaran pembengkokan ketebalan berlaku pada rentang frekuensi 500 Hz hingga 100 kHz. Ukuran vibrator tersebut umumnya adalah lebar lembaran keramik, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5t. Mode getaran geser ketebalan dicirikan bahwa permukaan elektroda sejajar dengan arah polarisasi, dan lembaran keramik piezo dikenai getaran geser dalam arah ketebalan di bawah aksi medan listrik bolak-balik. Mode geser ketebalan relatif mudah untuk diaktifkan, dan terutama digunakan pada rentang frekuensi tinggi 10 hingga 60 kHz, yang tidak akan dijelaskan secara rinci. Dalam pencari jangkauan ultrasonik, transduser piezoelektrik memancarkan gelombang ultrasonik, dan amplitudo getaran vibrator besar, sehingga mode getaran lentur lebih disukai. Pada saat yang sama, karena impedansi akustik udara sangat rendah, bahan piezoelektrik umum tidak mungkin mencapai impedansi yang sesuai dengannya, dan oleh karena itu harus diwujudkan melalui lapisan transisi. Ditemukan bahwa potongan keramik piezoelektrik terikat pada potongan logam tipis, dan USG transduser piezoelektrik digunakan sebagai sumber eksitasi untuk menghasilkan mode getaran lentur, yang memiliki amplitudo besar dan impedansi akustik kecil, dan dapat mencapai kecocokan impedansi akustik dengan udara. . Barang ini berbentuk struktur ikatan lembaran keramik piezo dan lembaran logam tipis.

 Lembaran logam tipis juga dapat bertindak sebagai lapisan pelindung untuk melindungi keramik piezoelektrik dan elektroda dari keausan dan kerusakan. Bahannya dapat dipilih dari paduan nikel kromium titanium dengan stabilitas tinggi. Karena logam yang lebih tipis semakin tinggi, tekanan suara adalah transmisi bolak-balik, potongan logam dirancang tipis, umumnya sekitar 0,1 mm. Bentuk dan ukuran vibrator pada pencari jangkauan ultrasonik mengharuskan bidang ultrasonik yang ditransmisikan berbentuk kipas, mengingat penggunaan vibrator persegi panjang sebagai sumber gelombang. Sumber gelombang persegi panjang dengan panjang L dan lebar W digunakan untuk getaran piston, dan medan suara gelombang longitudinal yang dipancarkan dalam media gas mirip dengan sumber cakram. Sinar utama radiasi berbentuk piramida segi empat, merupakan pandangan perspektif lobus utama terarah sumber gelombang persegi panjang. Pengukur jarak ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik 36 kHz untuk rentang frekuensi tunggal, yaitu frekuensi resonansi osilator keramik piezoelektrik adalah 36 kHz. Frekuensi ini tidak hanya memenuhi persyaratan sistem untuk jangkauan deteksi, akurasi dan sensitivitas, namun juga membuat gelombang ultrasonik yang ditransmisikan memiliki efisiensi lebih tinggi dalam perambatan udara. Melalui perhitungan rumus dan koreksi eksperimental, ukuran vibrator persegi panjang keramik piezoelektrik ditentukan sebagai: L=26.5mm, W=11.2mm, transduser piezoelektrik dirancang sebagai struktur dekat resonansi frekuensi fundamental, dan cangkangnya terbuat dari plastik rekayasa. Dapat memperbaiki dan melindungi lembaran perekat logam dan keramik. Kedua pin elektroda masing-masing dihubungkan ke elektroda logam dan potongan keramik melalui kabel timah, dan cara sambungannya dapat disolder dengan solder atau lem konduktif suhu rendah.