Penggunaan Seramik Piezoelektrik Digunakan dalam Transduser Jarak Ultrasonik

Dalam 20 tahun yang lalu,kos kristal piezoelektrik telah berkembang pesat di dalam dan luar negara. Oleh kerana kelebihan pengeluaran mudah, kos rendah dan kestabilan yang baik, ia telah digunakan secara meluas dalam bidang elektronik, cahaya, haba dan akustik, dan mempunyai julat yang luas. Transduser ultrasonik diperbuat daripada seramik piezoelektrik yang boleh menghasilkan gelombang ultrasonik dengan arahan yang baik. Ia sesuai untuk mengukur parameter seperti kelajuan dan jarak, dan boleh berfungsi dengan stabil dan boleh dipercayai di bawah keadaan persekitaran yang keras.

Mengenai peranti julat ultrasonik, ultrasonik merujuk kepada gelombang bunyi dengan frekuensi lebih tinggi daripada 20 kHz, iaitu gelombang mekanikal. Kerana arah yang baik dan toleransi terhadap alam sekitar, ia digunakan dalam teknologi pengukuran tork. Peranti jarak ultrasonik ialah teknik julat bukan sentuhan. Kaedah terutamanya termasuk kaedah nadi, kaedah fasa dan kaedah penukaran frekuensi. Peranti jarak ultrasonik terutamanya menggunakan kaedah nadi. Kaedah nadi secara langsung menentukan nilai jarak dengan mengukur masa semasa isyarat nadi pembawa bergerak ke sana ke mari sepanjang jarak yang hendak diukur. Formula daripada penjanaan tenaga plat piezo ialah D=Vt2D/2, dengan D ialah jarak yang hendak diukur; V ialah kelajuan perambatan pembawa di udara; t2D ialah masa perjalanan pergi dan balik pembawa. Ketepatan kaedah nadi dipengaruhi oleh ketepatan pengukuran masa, dan ketepatan pengukuran masa dipengaruhi oleh kekerapan ayunan. Jika gelombang ultrasonik digunakan sebagai pembawa dan ketepatan pengukuran jarak adalah D≤1cm, ketepatan ujian masa diperlukan untuk t≤5.9×10-5s, iaitu, selagi frekuensi ayunan mencapai 1.7×104 Hz, ini sangat mudah untuk dilaksanakan.

Transduser ultrasonik piezoelektrik dibuat dengan menggunakan kesan piezoelektrik bahan piezoelektrik. Bahan piezoelektrik terpolarisasi mengalami ubah bentuk mekanikal di bawah tindakan medan elektrik yang digunakan. Ini dipanggil kesan piezoelektrik songsang. Sebaliknya, ubah bentuk mekanikal bahan piezoelektrik juga menghasilkan voltan, yang dipanggil kesan piezoelektrik positif. Dengan menggunakan kesan piezoelektrik songsang, voltan frekuensi tinggi boleh ditukar kepada getaran mekanikal frekuensi tinggi untuk menghasilkan gelombang ultrasonik; kesan piezoelektrik positif juga boleh digunakan untuk menukar getaran ultrasonik terima kepada isyarat elektrik. Beginilah cara transduser ultrasonik berfungsi. Transduser ultrasonik piezoelektrik boleh dilihat sebagai rangkaian empat terminal dengan hujung elektrik dan mekanikal.

Pilihan bahan piezoelektrik plat elektrik piezo ialah bahan piezoelektrik untuk membuat transduser ultrasonik termasuk kristal tunggal piezoelektrik, seramik piezoelektrik polihablur, polimer tinggi piezoelektrik dan bahan komposit piezoelektrik. Antaranya, seramik piezoelektrik titanat zirkonat plumbum mempunyai kelebihan kekuatan mekanikal yang tinggi, rintangan suhu dan kelembapan, kos rendah dan kesan gandingan elektromekanikal yang baik, dan telah digunakan secara meluas dalam transduser ultrasonik. Transduser ultrasonik dalam pencari julat ultrasonik menggunakan seramik piezoelektrik titanat zirkonat plumbum sebagai bahan penggetar.

Jika dua memanjang hablur piezoelektrik cakera piezoelektrik dengan ketebalan yang sama dan terpolarisasi diikat bersama, getaran lentur boleh dijana apabila medan elektrik yang mengujakan digunakan untuk menyebabkan menjadi memanjang dan yang lain dipendekkan. Dua kepingan seramik piezo yang diikat dipolarisasi dalam arah yang bertentangan, dan disambungkan secara bersiri kepada bekalan kuasa; mod sambungan selari bagi dua kepingan seramik piezo yang mempunyai arah polarisasi yang sama ditunjukkan. Dalam dua kepingan pelekat seramik piezo, medan elektrik hanya merangsang salah satu daripadanya untuk menghasilkan getaran lentur. Begitu juga, mengikat dua kepingan seramik piezoelektrik pada kepingan logam nipis, atau mengikat kepingan seramik pada kepingan logam nipis, juga boleh menghasilkan ketebalan getaran lentur. Kekerapan resonan fr mod getaran lentur dan panjang helaian .Hubungan antara jumlah ketebalan t dan kepingan pelekat ialah fr = Nlttl2, di mana Nlt ialah pemalar frekuensi. Mod getaran lentur ketebalan boleh digunakan pada julat frekuensi 500 Hz hingga 100 kHz. Saiz penggetar sedemikian secara amnya ialah lebar kepingan seramik ,l = (6 ~ 10) ww ≥ 3.5t. Mod getaran ricih ketebalan dicirikan kerana permukaan elektrod adalah selari dengan arah polarisasi, dan kepingan seramik piezo tertakluk kepada getaran ricih dalam arah ketebalan di bawah tindakan medan elektrik berselang-seli. Mod ricih ketebalan agak mudah untuk teruja, dan digunakan terutamanya dalam julat frekuensi tinggi 10 hingga 60 kHz, yang tidak akan diterangkan secara terperinci. Dalam pencari julat ultrasonik, transduser piezoelektrik memancarkan gelombang ultrasonik, dan amplitud getaran penggetar adalah besar, jadi mod getaran lentur adalah lebih baik. Pada masa yang sama, kerana impedans akustik udara adalah sangat rendah, adalah mustahil untuk bahan piezoelektrik am untuk mencapai padanan impedans dengannya, dan oleh itu ia mesti direalisasikan melalui lapisan peralihan. Didapati bahawa kepingan seramik piezoelektrik terikat pada kepingan logam nipis, dan ultrabunyi transduser piezoelektrik digunakan sebagai sumber pengujaan untuk menjana mod getaran lentur, yang mempunyai amplitud besar dan impedans akustik kecil, dan boleh mencapai padanan impedans akustik dengan udara. . Artikel ini adalah dalam bentuk struktur terikat kepingan seramik piezo dan kepingan logam nipis.

 Lembaran logam nipis juga boleh bertindak sebagai filem pelindung untuk melindungi seramik dan elektrod piezoelektrik daripada haus dan kerosakan. Bahan boleh dipilih daripada aloi nikel kromium titanium kestabilan tinggi. Oleh kerana logam yang lebih nipis adalah lebih tinggi, tekanan bunyi adalah hantaran salingan, kepingan logam direka bentuk untuk menjadi nipis, secara amnya kira-kira 0.1 mm. Bentuk dan saiz penggetar dalam pencari julat ultrasonik memerlukan medan ultrasonik yang dipancarkan berbentuk kipas, dengan mengambil kira penggunaan penggetar segi empat tepat sebagai sumber gelombang. Sumber gelombang segi empat tepat panjang L dan lebar W digunakan untuk getaran omboh, dan medan bunyi gelombang longitudinal dipancarkan dalam medium gas adalah serupa dengan sumber cakera. Rasuk utama sinaran ialah piramid segi empat, adalah pandangan perspektif lobus utama arah sumber gelombang segi empat tepat. Pencari julat ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik 36 kHz untuk julat frekuensi tunggal, iaitu frekuensi resonans pengayun seramik piezoelektrik ialah 36 kHz. Frekuensi ini bukan sahaja memenuhi keperluan sistem untuk julat pengesanan, ketepatan dan kepekaan, tetapi juga menjadikan gelombang ultrasonik yang dihantar mempunyai kecekapan yang lebih tinggi dalam perambatan udara. Melalui pengiraan formula dan pembetulan eksperimen, saiz penggetar segi empat tepat seramik piezoelektrik ditentukan sebagai: L=26.5mm, W=11.2mm, transduser piezoelektrik direka sebagai struktur rapat resonans frekuensi asas, dan cangkerang diperbuat daripada plastik kejuruteraan. Ia boleh membetulkan dan melindungi kepingan pelekat logam dan seramik. Kedua-dua pin elektrod masing-masing disambungkan kepada elektrod logam dan kepingan seramik melalui wayar plumbum, dan cara sambungan boleh dipateri dengan pateri atau gam konduktif suhu rendah.