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resistenza di isolamento e vita media dell'idrofono ceramico piezoelettrico

Visualizzazioni: 45 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 16/10/2019 Origine: Sito

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Gli idrofoni ceramici piezoelettrici hanno un'ampia gamma di applicazioni nel sonar grazie alla loro planarità, prestazioni stabili e struttura semplice. La principale modalità di guasto degli idrofoni ceramici piezoelettrici è la riduzione della resistenza di isolamento. La resistenza media di isolamento dell'idrofono viene ridotta fino a superare i criteri di guasto specificati Rfc, che viene giudicato un guasto. Pertanto, lo studio della variazione della resistenza di isolamento dell'idrofono ceramico piezoelettrico, l'influenza della riduzione della resistenza di isolamento sulla sensibilità e la determinazione della vita media sono di grande importanza per comprendere e padroneggiare correttamente l'indice di prestazione e affidabilità dell'idrofono. Anche la manutenzione e la protezione hanno un certo valore di riferimento.

1 La vita media di un idrofono
Secondo la teoria dell'affidabilità, il numero di I prodotti con trasduttori a disco piezoelettrici sono stati testati nelle stesse condizioni e sono stati misurati i dati sulla durata totale. Quindi, l'MTTF del tempo medio pre-guasto è dove r(t) è il numero cumulativo di guasti del prodotto durante le ore di lavoro da 0 a t. Quando la distribuzione della vita del prodotto obbedisce alla distribuzione esponenziale, il suo MTTF è il reciproco del tasso di guasto λ (la probabilità che il prodotto fallisca in un determinato momento e l'unità di tempo successiva a tale periodo), ovvero 1/λ. Gli idrofoni possono utilizzare MTTF per rappresentare la loro vita media. In ingegneria viene spesso utilizzato l'isolamento medio di tutti gli idrofoni del lotto e la resistenza Rm viene ridotta al tempo tav dello standard di guasto Rfc come vita media. Nel valore Rfc alcuni idrofoni erano difettosi. Sebbene altri idrofoni possano funzionare normalmente, la loro sensibilità diminuirà drasticamente nella banda a bassa frequenza, il che avrà un grave impatto sulle prestazioni dell'array ricevente. Pertanto, dovrebbe essere sostituito il prima possibile. .

2 resistenze di isolamento idrofono

2.1 Meccanismo e legge del declino della resistenza di isolamento

Il componente principale di un idrofono ceramico piezoelettrico è un componente ceramico piezoelettrico. Quando il componente ceramico piezoelettrico viene essiccato, la resistenza di isolamento è elevata e quando si infiltrano molecole d'acqua, la resistenza di isolamento è inferiore. Più molecole d’acqua si infiltrano, più diminuisce la resistenza di isolamento. Gli idrofoni ceramici piezoelettrici funzionano nell'acqua per molti anni. I componenti ceramici piezoelettrici sono incapsulati da materiali impermeabili (come neoprene, poliuretano, ecc.), ma le molecole d'acqua passano sempre attraverso la superficie di questi materiali o di due materiali. La superficie di incollaggio penetra nella superficie e all'interno del componente ceramico piezoelettrico, in modo che la resistenza di isolamento dell'idrofono sia inferiore. Quanto più a lungo viene utilizzato l'idrofono, tanto più molecole d'acqua si accumulano sulla superficie e all'interno del componente piezoceramico, e quanto maggiore è la resistenza di isolamento, tanto più l'idrofono non funziona correttamente. Dall'analisi di cui sopra si può vedere che la caduta della resistenza di isolamento dell'idrofono è inevitabile e irreversibile. Non possiamo lasciare che la resistenza di isolamento dell'idrofono non cali, possiamo solo ritardare la velocità della caduta. Il rallentamento della resistenza di isolamento comporta un aumento della vita dell'idrofono. La seguente misurazione può essere utilizzata per rallentare la resistenza della resistenza di isolamento dell'idrofono (1) L'uso di componenti ceramici piezoelettrici con basso assorbimento di umidità. In generale, i materiali con densità maggiore sono meno igroscopici dei materiali con densità inferiore. Il materiale ceramico piezoelettrico PZT comunemente usato ha una densità di 7,8 g/cm3, e il materiale ceramico piezoelettrico titanato di bario usato raramente ha una densità di 5,7 g/cm3, e quest'ultimo ha una 'igroscopicità' molto maggiore; 2) Utilizzare materiali impermeabili con bassa permeabilità all'acqua; (3) Migliorare il processo di produzione degli idrofoni e spesso ottenere effetti evidenti. Per un singolo idrofono piezoceramico, non possiamo prevedere la legge della caduta della sua resistenza di isolamento, né possiamo prevedere quando fallirà. Ma per un lotto di idrofoni, e il numero di questi idrofoni è elevato, la loro resistenza di isolamento seguirà una certa legge, la cosiddetta legge statistica. Guardando prima un esempio, sebbene non sia pratico, è astratto dalla realtà e ha una base pratica. vengono messi in funzione gli idrofoni e si assume lo standard Rfc = 0,5 MΩ per determinare il malfunzionamento dell'idrofono. Nei primi giorni di utilizzo è stata misurata una distribuzione tipica della resistenza di isolamento dell'idrofono. La maggior parte degli idrofoni hanno una resistenza di isolamento Rm maggiore o uguale a 100 MΩ, mentre 50 Il sensore piezoelettrico a disco ceramico è soggetto alla legge esponenziale. Cioè, ad una certa temperatura, vale la seguente formula.

2.2 Resistenza di isolamento e sensibilità dell'idrofono

Dall'analisi del circuito equivalente la resistenza di isolamento dell'idrofono può essere considerata parallela ai due capi dell'idrofono. All'aumentare del numero di molecole d'acqua che permeano la superficie dell'elemento piezoceramico e dell'acqua interna attraverso il materiale di copertura impermeabile e lo strato adesivo, la resistenza di isolamento Rm dell'idrofono diminuirà continuamente. Abbassando il Rm ad un certo livello si ridurrà la sensibilità dell'idrofono. Minore è la frequenza operativa, maggiore è la riduzione di M. Lo schema circuitale equivalente dell'idrofono ceramico piezoelettrico può essere fornito sotto forma di una sorgente di corrente costante e può anche essere fornito sotto forma di una sorgente di tensione costante. La sorgente di tensione costante è uno schema circuitale equivalente che mostra la simulazione e i risultati di misurazione effettivi della riduzione della sensibilità di un idrofono sotto le diverse resistenze di isolamento. Sia i calcoli teorici che le misurazioni effettive dimostrano che minore è la capacità statica dell'idrofono, maggiore è l'impatto della diminuzione di Rm su M. Poiché la capacità statica dell'idrofono in fase di test è molto grande, fino a 100000 pF, la riduzione della resistenza di isolamento Rm ha un effetto relativamente piccolo sulla sua sensibilità. Quando Rm ≥ 10 kΩ, l'effetto su M è trascurabile; quando Rm < 10 kΩ, avrà un grande effetto su M e l'idrofono verrà giudicato guasto. Chiameremo valore di guasto Rf il valore della resistenza di isolamento che determina il guasto dell'idrofono. Nell'esempio sopra, Rf = 10 kΩ.

Ovviamente, se la capacità statica dell'idrofono è 10000 pF, la sensibilità sarà notevolmente influenzata quando la resistenza di isolamento è inferiore a 100 kΩ. In questo momento, Rf=100 kΩ. Sulla base dei risultati sopra riportati e del valore della sensibilità dell'idrofono consentito dalla macchina sonar, è possibile determinare il criterio di guasto Rfc. Rfc dovrebbe essere più di 10 volte maggiore di Rf, in modo da garantire che la resistenza di isolamento media di tutti gli idrofoni dell'array sia vicina a Rfc, il numero di idrofoni la cui resistenza di isolamento Rm è inferiore a Rf, ovvero il numero di idrofoni guasti è rauco. Entro l'intervallo consentito dall'intera macchina. Inoltre, l'idrofono è installato sotto la linea di galleggiamento della nave. Una volta che l'idrofono viene riscontrato difettoso, generalmente è necessario attendere l'attracco della nave per effettuare la sostituzione dell'idrofono, quindi c'è un ritardo. Durante questo tempo di ritardo, la resistenza di isolamento dell'idrofono continuerà a diminuire. Pertanto, lo standard di guasto Rfc deve essere impostato più alto per garantire che l'idrofono possa essere utilizzato normalmente prima della sostituzione. Inoltre, la resistenza di isolamento dell'idrofono ha un'ottima relazione con la temperatura ambiente e deve essere pienamente considerata quando si determina lo standard di guasto Rfc dell'idrofono.

2.3 Relazione tra resistenza di isolamento e temperatura ambiente

La resistenza di isolamento di Il trasduttore a disco piezoceramico è strettamente correlato alla temperatura ambiente: la temperatura ambiente aumenta, la resistenza di isolamento diminuisce. Sia la teoria che un gran numero di pratiche hanno dimostrato che la relazione tra la resistenza di isolamento Rm dell'idrofono ceramico piezoelettrico. la temperatura ambiente è simile al rapporto tra il tempo di utilizzo e la legge esponenziale. Nella formula Rmo è la resistenza di isolamento misurata alla temperatura di riferimento t0; k3 è il coefficiente di temperatura di tipo I. Allo stesso modo, la formula di cui sopra può anche essere scritta in una forma più comoda e intuitiva, k4 = exp(−k3), che è un coefficiente di temperatura di tipo II, quindi mo R ≈ R k , idrofono ceramico piezoelettrico titanato di bario modificato. Risultati della simulazione e risultati misurati della relazione tra resistenza di isolamento e temperatura ambiente. I risultati della misurazione sono vicini ai risultati della simulazione, k4 = 0,94 ~ 0,95 / 1 °C. Vengono mostrati i risultati della simulazione e dei risultati della misurazione della relazione tra la resistenza di isolamento dell'idrofono ceramico piezoelettrico PZT e la temperatura ambiente. Anche i risultati del test sono vicini ai risultati della simulazione, k4=0,90~0,94/1°C. Il rapporto tra la resistenza di isolamento dell'idrofono ceramico piezoelettrico e il tempo di utilizzo è irreversibile; altrimenti il rapporto tra la resistenza di isolamento dell'idrofono ceramico piezoelettrico e la temperatura ambiente è reversibile, cioè quando la temperatura ambiente ritorna al valore originale, il suo isolamento .

Anche la resistenza tornerà al suo valore originale. La resistenza di isolamento dell'idrofono varia notevolmente con la temperatura ambiente. Per ogni aumento di 11 °C della temperatura ambiente, la resistenza di isolamento si riduce di circa la metà. Rispetto all'idrofono ceramico piezoelettrico modificato al titanato di bario, la resistenza di isolamento dell'idrofono ceramico piezoelettrico PZT cambierà maggiormente con la temperatura ambiente. Le regole di variazione sopra menzionate sono diverse per i diversi tipi e le diverse specifiche di materiali ceramici piezoelettrici di diverse strutture e diversi materiali di rivestimento impermeabili, che devono essere determinate mediante esperimenti. Quando si determina lo standard di guasto Rfc di un idrofono ceramico piezoelettrico, è necessario considerare attentamente la relazione tra la resistenza di isolamento dell'idrofono e la temperatura ambiente. Per apparecchiature con elevati requisiti di affidabilità, la Rfc dell'idrofono di supporto deve essere determinata alla temperatura ambiente più alta (ad esempio 30 °C). Pertanto, quando la temperatura ambiente diminuisce, la resistenza di isolamento dell'idrofono non farà altro che aumentare e non influirà sul normale utilizzo.

La modalità principale degli idrofoni ceramici piezoelettrici è la riduzione della resistenza di isolamento. Il meccanismo è che le molecole d'acqua penetrano nella superficie e all'interno dei componenti piezoceramici attraverso il materiale di rivestimento impermeabile e lo strato adesivo. La resistenza di isolamento diminuisce con l'aumentare del tempo di utilizzo e soddisfa la legge esponenziale. La resistenza di isolamento diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente e soddisfa anch'essa la legge esponenziale. Quando la resistenza di isolamento viene ridotta ad un certo livello, avrà un impatto significativo sulla sensibilità dell'idrofono, e anche peggio nella gamma delle basse frequenze. In pratica, è conveniente definire il tempo medio necessario per abbassare la resistenza media di isolamento di un lotto di idrofoni allo standard di guasto specificato. Nella determinazione dello standard di guasto, in base al rapporto tra la resistenza di isolamento dell'idrofono e la sensibilità, si considera pienamente il rapporto tra la resistenza di isolamento dell'idrofono e la temperatura ambiente, e si riscontra il ritardo tra il guasto dell'idrofono e l'attuazione della sostituzione, e il guasto viene opportunamente incrementato.