Applicazione della ceramica piezoelettrica utilizzata nel trasduttore di distanza a ultrasuoni

Negli ultimi 20 anni,il costo dei cristalli piezoelettrici si è sviluppato rapidamente in patria e all'estero. Grazie ai vantaggi di produzione semplice, basso costo e buona stabilità, sono stati ampiamente utilizzati nei campi dell'elettronica, della luce, del calore e dell'acustica e hanno una vasta gamma. I trasduttori ultrasonici sono realizzati in ceramica piezoelettrica in grado di produrre onde ultrasoniche con buona direttività. Sono ideali per misurare parametri quali velocità e distanza e possono funzionare in modo stabile e affidabile in condizioni ambientali difficili.

Per quanto riguarda il dispositivo di misurazione a ultrasuoni, gli ultrasuoni si riferiscono alle onde sonore con una frequenza superiore a 20 kHz, che è un'onda meccanica. Grazie alla sua buona direzionalità e tolleranza all'ambiente, viene utilizzato nella tecnologia di misurazione della coppia. Il dispositivo di rilevamento a ultrasuoni è una tecnica di rilevamento senza contatto. I metodi includono principalmente il metodo a impulsi, il metodo di fase e il metodo di conversione della frequenza. Il dispositivo di misurazione a ultrasuoni utilizza principalmente il metodo a impulsi. Il metodo a impulsi determina direttamente il valore della distanza misurando il tempo durante il quale il segnale a impulsi portante percorre avanti e indietro la distanza da misurare. La formula di la generazione di energia della piastra piezoelettrica è D=Vt2D/2, dove D è la distanza da misurare; V è la velocità di propagazione della portante in aria; t2D è il tempo di andata e ritorno del vettore. La precisione del metodo a impulsi è influenzata dalla precisione della misurazione del tempo e la precisione della misurazione del tempo è influenzata dalla frequenza di oscillazione. Se l'onda ultrasonica viene utilizzata come portante e la precisione della misurazione della distanza è D≤1 cm, la precisione del test temporale deve essere t≤5,9×10-5s, ovvero finché la frequenza di oscillazione raggiunge 1,7×104 Hz, questo è molto facile da implementare.

I trasduttori ultrasonici piezoelettrici sono realizzati utilizzando l'effetto piezoelettrico di materiali piezoelettrici. Il materiale piezoelettrico polarizzato subisce una deformazione meccanica sotto l'azione di un campo elettrico applicato. Questo è chiamato effetto piezoelettrico inverso. Al contrario, la deformazione meccanica del materiale piezoelettrico produce anche una tensione, chiamata effetto piezoelettrico positivo. Utilizzando l'effetto piezoelettrico inverso, la tensione ad alta frequenza può essere convertita in vibrazione meccanica ad alta frequenza per generare onde ultrasoniche; l'effetto piezoelettrico positivo può essere utilizzato anche per convertire la vibrazione ultrasonica ricevuta in un segnale elettrico. Ecco come funziona il trasduttore ad ultrasuoni. I trasduttori ultrasonici piezoelettrici possono essere visti come reti a quattro terminali con estremità elettriche e meccaniche.

La scelta dei materiali piezoelettrici piastre piezoelettriche è che i materiali piezoelettrici per la realizzazione di trasduttori ultrasonici includono cristalli singoli piezoelettrici, ceramiche piezoelettriche policristalline, alti polimeri piezoelettrici e materiali compositi piezoelettrici. Tra questi, le ceramiche piezoelettriche di piombo zirconato titanato presentano i vantaggi di elevata resistenza meccanica, resistenza alla temperatura e all'umidità, basso costo e buon effetto di accoppiamento elettromeccanico e sono state ampiamente utilizzate nei trasduttori a ultrasuoni. Il trasduttore a ultrasuoni nel telemetro a ultrasuoni utilizza la ceramica piezoelettrica di piombo zirconato titanato come materiale del vibratore.

Se due allungati disco piezoelettrico cristallo piezoelettrico dello stesso spessore e polarizzato sono legati insieme, è possibile generare vibrazioni di flessione quando viene applicato un campo elettrico eccitante per provocare l'allungamento e l'accorciamento dell'altro. I due fogli piezoceramici incollati sono polarizzati in direzioni opposte e sono collegati in serie all'alimentazione; sono mostrate le modalità di collegamento in parallelo dei due fogli piezoceramici aventi la stessa direzione di polarizzazione. In due fogli adesivi piezoceramici, il campo elettrico ne eccita solo uno per produrre vibrazioni di flessione. Allo stesso modo, anche l’unione di due fogli di ceramica piezoelettrica a un foglio di metallo sottile, o l’accoppiamento di un foglio di ceramica a un foglio di metallo sottile, può produrre uno spessore di vibrazione di flessione. La frequenza di risonanza fr della modalità di vibrazione di flessione e la lunghezza del foglio. Il rapporto tra lo spessore totale t e il foglio adesivo è fr = Nlttl2, dove Nlt è una costante di frequenza. La modalità di vibrazione con flessione dello spessore è applicabile a un intervallo di frequenza compreso tra 500 Hz e 100 kHz. La dimensione di un tale vibratore è generalmente la larghezza del foglio di ceramica, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5 t. La modalità di vibrazione di taglio dello spessore è caratterizzata dal fatto che la superficie dell'elettrodo è parallela alla direzione di polarizzazione e il foglio piezoceramico è soggetto a vibrazioni di taglio nella direzione dello spessore sotto l'azione di un campo elettrico alternato. La modalità di taglio dello spessore è relativamente facile da eccitare e viene utilizzata principalmente nella gamma di alte frequenze compresa tra 10 e 60 kHz, che non verrà descritta in dettaglio. Nel telemetro a ultrasuoni, il trasduttore piezoelettrico emette onde ultrasoniche e l'ampiezza della vibrazione del vibratore è ampia, quindi è preferibile la modalità vibrazione di flessione. Allo stesso tempo, poiché l'impedenza acustica dell'aria è estremamente bassa, è impossibile per un materiale piezoelettrico generale raggiungere un adattamento di impedenza con essa, e quindi deve essere realizzato mediante uno strato di transizione. Si è scoperto che il pezzo di ceramica piezoelettrica è legato al pezzo di metallo sottile, e il Gli ultrasuoni del trasduttore piezoelettrico vengono utilizzati come fonte di eccitazione per generare una modalità di vibrazione flettente, che ha una grande ampiezza e una piccola impedenza acustica e può ottenere l'adattamento dell'impedenza acustica con l'aria. . Questo articolo ha la forma di una struttura incollata di fogli di ceramica piezoelettrica e fogli di metallo sottili.

 I sottili fogli di metallo possono anche fungere da pellicola protettiva per proteggere le ceramiche piezoelettriche e gli elettrodi da usura e danni. Il materiale può essere selezionato tra una lega di nichel-cromo-titanio ad alta stabilità. Poiché il metallo più sottile è maggiore, la pressione sonora è una trasmittanza alternativa, il pezzo di metallo è progettato per essere sottile, generalmente circa 0,1 mm. La forma e le dimensioni del vibratore nel telemetro a ultrasuoni richiedono che il campo ultrasonico trasmesso sia a forma di ventaglio, considerando l'uso di un vibratore rettangolare come sorgente d'onda. Una sorgente d'onda rettangolare di lunghezza L e larghezza W viene utilizzata per la vibrazione del pistone e il campo sonoro dell'onda longitudinale viene irradiato nel mezzo gassoso in modo simile alla sorgente del disco. Il fascio principale della radiazione è una piramide quadrangolare, è una vista prospettica del lobo principale direzionale della sorgente d'onda rettangolare. Il telemetro a ultrasuoni emette un'onda ultrasonica da 36 kHz per un range di frequenza singola, ovvero la frequenza di risonanza dell'oscillatore piezoelettrico in ceramica è 36 kHz. Questa frequenza non solo soddisfa i requisiti del sistema in termini di portata, precisione e sensibilità di rilevamento, ma fa anche sì che le onde ultrasoniche trasmesse abbiano una maggiore efficienza nella propagazione dell'aria. Attraverso il calcolo della formula e la correzione sperimentale, la dimensione del vibratore rettangolare in ceramica piezoelettrico viene determinata come: L=26,5 mm, L=11,2 mm, il trasduttore piezoelettrico è progettato come una struttura chiusa di risonanza della frequenza fondamentale e il guscio è realizzato in plastica tecnica. Può fissare e proteggere fogli adesivi metallici e ceramici. I due perni dell'elettrodo sono collegati rispettivamente all'elettrodo del metallo e al pezzo di ceramica tramite i fili conduttori e la modalità di connessione può essere saldata mediante saldatura o colla conduttiva a bassa temperatura.