Principio di funzionamento del trasduttore ceramico piezoelettrico

Panoramica di trasduttori ceramici piezoelettrici

Il trasduttore ceramico piezoelettrico è composto da cristallo ceramico piezoelettrico e due metalli leggeri e pesanti. Dopo il trattamento di polarizzazione ad una certa temperatura, ha un effetto piezoelettrico. I trasduttori ultrasonici ceramici piezoelettrici sono entrati nel campo della ricerca umana da molto tempo. È facile da produrre, ha una forte controllabilità, un'elevata sensibilità e un buon accoppiamento elettromeccanico. I trasduttori  sviluppati  sulla base della ceramica piezoelettrica includono trasduttori ultrasonici di potenza e trasduttori ultrasonici di rilevamento.

La tecnologia ad ultrasuoni è una tecnologia di test non distruttivi ampiamente utilizzata. Si basa sulla teoria acustica e viene continuamente utilizzato nei campi dell'elettronica, delle comunicazioni, della medicina, della biologia e della fisica. Nella moderna tecnologia di rilevamento, i trasduttori sviluppati utilizzando la tecnologia a ultrasuoni stanno guadagnando sempre più attenzione grazie alla loro elevata sensibilità e precisione.

I trasduttori comunemente utilizzati nel processo di ispezione sono trasduttori piezoelettrici, trasduttori magnetostrittivi, trasduttori acustici elettromagnetici e trasduttori laser. Il più comunemente utilizzato è il trasduttore piezoelettrico, il suo componente principale è il chip piezoelettrico. Il wafer piezoelettrico può essere deformato dalla pressione, che porta alla polarizzazione del wafer stesso e sulla superficie del wafer compaiono cariche legate positive e negative. Questo effetto è un effetto piezoelettrico. Inoltre l'effetto piezoelettrico è reversibile, cioè si deforma quando viene applicata una tensione al wafer. Nel processo di rilevamento, il sensore a ultrasuoni può generare onde ultrasoniche utilizzando l'effetto piezoelettrico inverso e utilizzare l'effetto piezoelettrico per raggiungere lo scopo di ricevere onde ultrasoniche. I trasduttori ultrasonici ceramici piezoelettrici sono entrati nel campo della ricerca umana da molto tempo. È facile da produrre, ha una forte controllabilità, un'elevata sensibilità e un buon accoppiamento elettromeccanico. I trasduttori sviluppati sulla base della ceramica piezoelettrica includono trasduttori ultrasonici di potenza e trasduttori ultrasonici di rilevamento.

Principio di funzionamento del trasduttore ceramico piezoelettrico

Il principio dei trasduttori ceramici piezoelettrici è che quando viene applicata pressione o tensione alla ceramica pzt  , vengono generate cariche di polarità opposte su entrambe le estremità della ceramica e la corrente viene generata attraverso il circuito. Questo effetto è chiamato effetto piezoelettrico. Se un trasduttore realizzato con questa ceramica piezoelettrica viene immerso nell'acqua, sotto l'azione delle onde sonore, verranno indotte delle cariche su entrambe le estremità del trasduttore, che è un ricevitore di onde acustiche. Inoltre, l'effetto piezoelettrico è reversibile. Se viene applicato un campo elettrico alternato al foglio di ceramica piezoelettrica, il foglio di ceramica piezoelettrico diventerà di volta in volta più sottile e più spesso e allo stesso tempo genererà vibrazioni ed emetterà onde sonore. Pertanto, il problema del trasmettitore ad ultrasuoni è risolto.

Ne esistono due tipi componenti ad anello piezoceramico  mag netostrittivo metallo e ceramica piezoelettrica. Lo scopo di questo articolo è progettare trasduttori per la lavorazione meccanica a ultrasuoni ad alta potenza, quindi verranno discussi solo i trasduttori ceramici piezoelettrici. Essendo una sorta di rete di trasmissione dell'energia, il trasduttore ceramico piezoelettrico presenta il problema dell'efficienza di conversione dell'energia. L'efficienza di conversione è correlata alla scelta del materiale del trasduttore, della forma di vibrazione, della struttura del sistema di vibrazione meccanica (compreso il meccanismo di supporto) e della frequenza operativa. Pertanto, nella progettazione dei trasduttori a ultrasuoni, dovrebbero essere considerati vari fattori, come l'impedenza acustica, la risposta in frequenza, l'adattamento dell'impedenza, la struttura acustica, la modalità di vibrazione e i materiali di conversione, nonché come progettare e coordinare questi fattori per ottenere il miglior valore di conversione elettroacustica.

Il trasduttore ceramico piezoelettrico è un materiale ceramico elettronico con caratteristiche piezoelettriche. La differenza principale rispetto a un tipico cristallo di quarzo piezoelettrico che non contiene componenti ferroelettrici è che le fasi cristalline che costituiscono i suoi componenti principali sono grani di cristallo ferroelettrici. Poiché le ceramiche piezoelettriche sono aggregati policristallini con grani orientati in modo casuale, anche il vettore di polarizzazione spontanea di ciascun grano ferroelettrico è disorientato. Affinché la piezoelettrica ceramica s possa mostrare proprietà macro piezoelettriche, la ceramica piezoelettrica deve essere polarizzata in un forte campo elettrico CC dopo la cottura e la faccia terminale è soggetta a più elettrodi, in modo che il vettore di polarizzazione dell'orientamento del disordine originale sia orientato preferenzialmente nella direzione del campo elettrico. Dopo il trattamento di polarizzazione, la ceramica piezoelettrica manterrà una certa intensità di polarizzazione residua macro, in modo che la ceramica abbia una certa pressione.

Applicazione del trasduttore ceramico piezoelettrico

A causa dei vantaggi senza contatto della tecnologia a ultrasuoni, prova ad applicarla trasduttori ultrasonici ceramici piezoelettrici al sistema di rilevamento della concentrazione del liquido. Il chip del sistema utilizza FPGA della serie Spartan 3E. Il trasduttore ceramico piezoelettrico svolge un ruolo importante nella trasmissione e ricezione dei segnali. Il segnale ultrasonico di una certa frequenza e ampiezza generato dal trasduttore viene convogliato nel liquido attraverso il circuito di trasmissione. Dopo che il segnale è stato attenuato dal liquido, il segnale con le informazioni sulla concentrazione del liquido può essere ricevuto dal trasduttore ricevente. Attraverso l'analisi del metodo di attenuazione sonora si ottiene effettivamente la concentrazione approssimativa del liquido. La progettazione software del sistema comprende il programma principale, il programma di misurazione a ultrasuoni, il programma di controllo degli impulsi, il programma del ricetrasmettitore di impulsi, il programma di controllo dell'acquisizione ADC e il programma di orologio e sveglia.

Nell'esperimento, è possibile misurare prima il liquido statico, utilizzare il metodo di attenuazione ultrasonica per analizzare il segnale raccolto all'estremità ricevente, elaborare l'inviluppo e ottenere informazioni sulla concentrazione combinando il percorso di propagazione del segnale (diametro del tubo). Quindi, viene eseguita la misurazione dinamica del liquido dinamico e il percorso di propagazione del segnale deve considerare la velocità del flusso del liquido per calcolare il percorso approssimativo.