Parameter bahan piezoelektrik dan persamaan piezoelektrik (3)

(11) Faktor kualiti mekanikal Qm

Apabila Bahan PZT piezo seramik digunakan untuk getaran resonans, adalah perlu untuk mengatasi kehilangan geseran mekanikal dalaman (penggunaan dalaman), dan apabila terdapat beban, adalah perlu untuk mengatasi kehilangan beban luaran. Faktor kualiti mekanikal Qmo (nilai Q mekanikal tanpa beban) adalah berkaitan dengan kehilangan mekanikal ini. Dan Qm (nilai Q mekanikal di bawah beban). Ia ditakrifkan sebagai: Qm = tenaga mekanikal yang disimpan oleh penggetar piezoelektrik pada resonans / tenaga mekanikal yang hilang semasa tempoh resonans. Ia mencerminkan jumlah tenaga yang digunakan oleh badan piezoelektrik untuk mengatasi kehilangan mekanikal apabila bergetar. Qm yang lebih besar bermakna kurang kehilangan tenaga mekanikal. Kewujudan Qm juga menunjukkan bahawa adalah mustahil untuk mana-mana bahan piezoelektrik menggunakan semua tenaga mekanikal input untuk output. Pada resonans: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], dengan ZC ialah galangan akustik penggetar piezoelektrik; Zl ialah galangan akustik bagi beban; Zb ialah blok redaman dalam galangan akustik transduser piezoelektrik. Untuk transduser piezoelektrik, Qm dan Qenya tidak tetap. Ia berkaitan dengan kekerapan operasi, lebar jalur frekuensi, proses pembuatan, struktur, dan medium sinaran (beban) transduser piezoelektrik. Pada transduser piezoelektrik yang digunakan dalam teknologi pengesanan ultrasonik, apabila Qm terlalu tinggi, mudah untuk membuat bentuk gelombang getaran yang dihasilkan oleh penggetar terlalu lama (fenomena deringan), mengakibatkan herotan bentuk gelombang dan resolusi yang lebih rendah. Begitu juga, Qe tidak lebih besar dan lebih besar. Pemilihan dan penentuan Qm dan Qe hendaklah diputuskan mengikut keperluan sebenar. Nilai Q yang besar bermakna penggunaan tenaga adalah kecil semasa kesan piezoelektrik. Ia boleh mengurangkan jumlah haba yang dijana dalam kes aplikasi kuasa tinggi dan frekuensi tinggi atau aplikasi kuasa penghantaran tulen, yang merupakan satu kelebihan. Walau bagaimanapun, untuk tujuan pengesanan transduser, nilai Q yang besar adalah merugikan untuk meluaskan jalur frekuensi, menambah baik bentuk gelombang dan meningkatkan resolusi. Di samping itu, oleh kerana nilai Q juga berubah dengan sifat beban (contohnya, medium beban yang dihadapi oleh kuar rendaman air dan kuar kaedah sentuhan adalah berbeza), pengaruh medium beban juga mesti dipertimbangkan semasa mereka bentuk transduser (impedans sinaran ).

(12)Pekali gandingan elektromekanikal K
Ini adalah parameter penting untuk memeriksa bahan piezoelektrik dari perspektif tenaga. Takrifannya adalah semasa kesan piezoelektrik positif, voltan luaran E = 0, dan terdapat: K2 = tenaga elektrik yang disimpan dalam badan piezoelektrik di bawah keadaan ideal yang ideal . Jumlah input tenaga mekanikal ke dalam badan piezoelektrik di bawah keadaan, atau dalam erti kata lain: K2 = tenaga mekanikal yang ditukar yang menyebabkan cas bergerak antara elektrod yang disambungkan / piezoelektrik masukan semasa kesan mekanikal luaran, yang mengikut kesan tenaga mekanikal piezoelektrik yang disambungkan. 0, ya: K2 = tenaga mekanikal yang disimpan dalam badan piezoelektrik di bawah keadaan ideal / jumlah input tenaga elektrik ke dalam badan piezoelektrik dalam keadaan ideal atau: K2 = tenaga elektrik yang ditukar menyebabkan terikan mekanikal / tenaga elektrik input di bawah tekanan transistor mempunyai keanjalan, dielektrik dan piezoelektrik pada masa yang sama, dan ia berfungsi bersama. Atas sebab ini, kuantiti fizikal ini perlu diperkenalkan untuk melihat ciri-ciri ini secara bersatu, yang menunjukkan tahap kekuatan gandingan antara tenaga mekanikal dan tenaga elektrik. Dari segi fizikal, ia hanya menerangkan penukaran dan ia bukan kecekapan yang sama, dan tenaga yang ditukar mungkin tidak ditukar sepenuhnya kepada tenaga terpancar atau keluaran (termasuk penggunaan dalaman dan maklum balas, dsb.). Sudah tentu, dalam erti kata lain, ia juga boleh dikatakan bahawa pekali gandingan elektromekanikal K mewakili 'kecekapan' badan piezoelektrik yang menukar tenaga elektrik kepada tenaga anjal, atau menukar tenaga anjal kepada tenaga elektrik. Ia terutamanya ditentukan oleh jenis bahan piezoelektrik. Ia juga bergantung kepada mod getaran badan piezoelektrik, tetapi tiada kaitan dengan nilai frekuensi resonan transduser. Di samping itu, nilai K juga bergantung kepada struktur transduser piezoelektrik, keadaan operasi, dan saiz elektrod dan kedudukan badan piezoelektrik. Kita boleh membahagikan ketumpatan tenaga U (tenaga dalam isipadu unit) bahan piezoelektrik kepada tiga bahagian, satu ialah ketumpatan tenaga elastik , satu ialah ketumpatan tenaga medan elektrik (ketumpatan tenaga dielektrik), dan satu ialah ketumpatan tenaga pertukaran piezoelektrik Um (meninggalkan item tenaga haba dan magnet).

Bahagian pertama di sini ialah bahagian mekanikal tenaga kenyal bahan-mekanikal, bahagian kedua komponen cincin piezoceramic ialah tenaga medan elektrik bahagian elektrik, dan bahagian ketiga ialah ketumpatan tenaga interaksi antara tenaga elastik dan tenaga dielektrik. Jumlah tenaga dalaman ialah: U = Ue + Ud + 2Um. Memandangkan tenaga piezoelektrik adalah tenaga boleh ditukar ganti, ia digandakan. Oleh itu, kita boleh mentakrifkan pekali gandingan elektromekanikal dengan cara lain: K = Um / ( UeUd) 1/2. Atau: K = Nilai min geometri tenaga piezoelektrik / tenaga kenyal dan tenaga dielektrik. Sebab untuk memilih nilai min geometri bagi tenaga kenyal dan tenaga dielektrik adalah untuk mempertimbangkan taburan tenaga tidak sekata bagi setiap bahagian kecil hablur piezoelektrik. Dengan cara ini, kita boleh mengatakan bahawa nisbah tenaga yang boleh ditukar secara piezoelektrik dalam isipadu unit bahan piezoelektrik ialah pekali gandingan elektromekanikal. Contohnya, Ud dan Ue tidak boleh ditukar secara piezoelektrik, Tetapi ia bukan kehilangan tenaga. Untuk bahan tertentu, seperti kuarza, kehilangan tenaga adalah kecil dan kecekapan penukaran adalah sangat tinggi, tetapi pekali gandingan elektromekanikalnya lebih rendah daripada seramik piezoelektrik, manakala kecekapan penukaran seramik piezoelektrik tidak tinggi. Sebahagian besar boleh ditukar secara piezoelektrik, yang bermaksud pekali gandingan elektromekanikalnya adalah tinggi. Dari sini kita boleh mengenali perbezaan antara pekali gandingan elektromekanikal dan kecekapan. Pekali gandingan elektromekanikal ialah nisbah tenaga, tidak berdimensi, dan nilai maksimumnya ialah 1, apabila K = 0, ia bermakna tiada kesan piezoelektrik berlaku. Pekali gandingan elektromekanikal yang biasa adalah seperti berikut:

(1) Pekali gandingan elektromekanikal Kp untuk getaran jejarian (juga dikenali sebagai pekali gandingan elektromekanikal satah): Mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal bagi hablur piezoelektrik berbentuk cakera nipis apabila ia tertakluk kepada getaran teleskopik jejari, dengan syarat diameter wafer adalah ≥3 kali ketebalan arah ketebalan wafer t ialah arah wafer. daripada medan elektrik yang digunakan.

(2) Getaran melintang (getaran panjang melintang) pekali gandingan elektromekanikal K31 mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal apabila kristal piezoelektrik berbentuk kepingan panjang dengan arah ketebalan sebagai arah polarisasi meregang dan mengecut dalam arah panjang, dengan syarat panjang helaian adalah l≥3 kali. Lebar dan ketebalan kepingan.

(3) Pekali gandingan elektromekanikal K33 getaran membujur (getaran panjang membujur): mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal getaran teleskopik sepanjang arah panjang apabila kristal piezoelektrik berbentuk rod langsing dipolarisasi dalam arah ketebalan, dan arah medan elektrik adalah sama dengan arah polarisasi. Keadaannya ialah lebar dan ketebalan atau diameter rod dengan panjang l≥3 kali.

(4) Pekali gandingan elektromekanikal Kt getaran ketebalan: mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal kristal piezoelektrik berbentuk kepingan terpolarisasi dalam arah ketebalan dan arah medan elektrik juga dalam arah ketebalan. Syaratnya ialah ketebalan wafer lebih kecil daripada panjang sisi atau diameter wafer.

(5) Pekali gandingan elektromekanikal getaran ricih ketebalan K15: Ia mencerminkan kesan gandingan elektromekanikal getaran ricih ketebalan hablur piezoelektrik.

Secara ringkasnya, kita boleh membuat kesimpulan bahawa prinsip pemilihan utama apabila memilih bahan piezoelektrik untuk membuat transduser piezoelektrik dalam aplikasi praktikal ujian ultrasonik adalah seperti berikut: (1) Semakin besar nilai d33--d33, semakin baik prestasi pelepasan. . Jelas sekali, apabila membuat transduser pemancar, adalah lebih baik untuk memilih bahan dengan nilai d33 sebesar mungkin; (2) Lebih besar nilai g33--g33, lebih baik prestasi penerimaan. Jelas sekali, jika anda ingin membuat transduser penerima, anda harus memilih bahan dengan nilai besar g33 sebanyak mungkin; apabila anda perlu membuat transduser yang menggabungkan kedua-dua penghantaran dan penerimaan, sebagai pertimbangan menyeluruh, anda harus memilih nilai yang hampir dengan dan sebesar d33 dan g33 juga. (3) Impedans akustik Z (Z = ρc)-Memandangkan pemantulan dan ketransmisian gelombang ultrasonik adalah berkaitan dengan perbezaan galangan akustik antara medium. perbezaan yang lebih kecil dalam impedans akustik ialah penghantaran ultrasonik yang lebih tinggi. Untuk membuat seberapa banyak gelombang ultrasonik yang mungkin daripada transduser piezoelektrik memasuki medium ujian, bahan piezoelektrik yang impedans akustiknya sehampir mungkin dengan impedans akustik medium sentuhan harus dipilih. Perlu diingatkan bahawa kewujudan medan elektrik akan menjejaskan halaju bunyi yang jelas dalam bahan piezoelektrik, malah impedans akustik bahan piezoelektrik akan berubah dalam keadaan kerja. (4) Pekali gandingan elektromekanikal Kt getaran ketebalan-Dalam teknologi pengesanan ultrasonik, aplikasi yang paling penting ialah cip piezoelektrik jenis getaran ketebalan, jadi semakin besar nilai Kt, semakin baik prestasi penukaran elektromekanikal, yang sensitiviti transduser lebih tinggi. (5) Pekali gandingan elektromekanikal Kp getaran jejarian--Apabila cip piezoelektrik melakukan getaran ketebalan, terdapat juga getaran jejarian pada masa yang sama, yang akan mengganggu getaran ketebalan dan menyebabkan herotan bentuk gelombang, peningkatan atau peningkatan bunyi, dsb. Diharapkan nilai Kp sekecil mungkin. Secara umum, lebih besar nilai Kt / Kp, lebih baik.

(6) Pemalar dielektrik ε—Wafer piezoelektrik membentuk kapasitor selepas elektrod disalut, dan kemuatannya mematuhi C = εA / t, iaitu pemalar dielektrik ε, kawasan relatif A elektrod, dan jarak elektrod (Ketebalan wafer) t berkaitan. Dalam litar, kapasitans kecil bermaksud reaktans kapasitif yang besar, yang sesuai untuk digunakan sebagai elemen piezoelektrik frekuensi tinggi. Khususnya, transduser pengesanan ultrasonik kebanyakannya berfungsi dalam julat frekuensi megahertz, jadi ε bahan piezoelektrik diperlukan lebih kecil. Sebaliknya, apabila digunakan untuk membuat komponen piezoelektrik frekuensi rendah (seperti pembesar suara dan mikrofon dalam julat audio), bahan dengan ε yang besar harus dipilih untuk memenuhi keperluan padanan kapasiti besar dan reaktans kapasitif rendah. Perlu diingatkan bahawa nilai ε juga berkaitan dengan kebebasan mekanikal transduser, iaitu pemalar dielektrik keadaan pengapit mekanikal dan keadaan bebas mekanikal adalah berbeza, jadi terdapat perbezaan antara εe dan ετ. Di samping itu, hubungan antara ε dan kekerapan juga lebih sensitif, jadi nilai ε harus sebenarnya diukur pada keadaan frekuensi operasi tertentu. Ini bermakna wafer piezoelektrik dengan ketebalan yang sama mempunyai frekuensi resonans yang lebih tinggi, atau ketebalan wafer lebih besar pada frekuensi resonans yang sama, yang sesuai untuk pemprosesan dan pembuatan komponen frekuensi tinggi. Oleh itu, bahan dengan nilai Nt yang lebih besar harus dipilih.

(8) Ferroelektrik Curie point Tc--Hablur ferroelektrik hanya mempunyai ferroelektrik dalam julat suhu tertentu. Apabila suhu mencapai titik curie ferroelektrik, kristal akan kehilangan ferroelektrik, dan sifat dielektrik, piezoelektrik, optik, elastik dan haba semuanya tidak normal. Kebanyakan ferroelektrik hanya mempunyai satu titik curie, tetapi beberapa ferroelektrik mempunyai titik curie atas dan bawah, dan mereka mempunyai ferroelektrik hanya dalam julat suhu antara titik curie atas dan bawah. Sebagai contoh, titik curie atas titanat zirkonat plumbum ialah 115-120 ° C dan titik curie bawah ialah -5 ° C. Jika 5% kalsium titanat ditambah kepada barium titanate, titik curie bawah boleh mencapai -40 ° C. . Di samping itu, sesetengah ferroelektrik tidak mempunyai titik curie, seperti beberapa bahan piezoelektrik polimer khas (kerana ia telah cair atau terbakar apabila ia mencapai suhu tertentu).

Perlu diingatkan bahawa apabila suhu sebenar tidak mencapai titik curie, prestasi banyak transduser piezoelektrik (seperti Kt, dll.) telah menurun atau merosot dengan ketara (contohnya, probe barium titanate merosot pada 60-70 ° C) Selain itu, suhu tertinggi di mana ia boleh berfungsi tidak sama dengan perubahan suhu yang disebabkan oleh anisotropi secara tiba-tiba. pekali pengembangan haba. Oleh itu, dalam kes suhu yang lebih tinggi seperti plumbum elektrod kimpalan dan pemanasan semasa menuang blok penyerapan semasa penggunaan sebenar transduser dan proses membuat transduser, Apabila memilih bahan piezoelektrik, pertimbangan khusus harus diberikan kepada keadaan operasi transduser.

(9) Faktor kualiti mekanikal Qm dan faktor kualiti elektrik Qe-Dalam aplikasi praktikal, jika nilai Qm dan Qe adalah besar, akan ada fenomena 'dering', mengakibatkan herotan bentuk gelombang dan resolusi berkurangan, yang tidak kondusif untuk pengesanan. Keadaan itu timbul. Oleh itu, bermula daripada keperluan teknologi pengesanan, untuk benar-benar mencerminkan ciri-ciri isyarat gema dan memastikan bahawa resolusi pengesanan memenuhi keperluan pengesanan, Qm dan Qe secara amnya tidak dijangka terlalu besar. Di samping mengambil kira semasa memilih bahan, bila mereka bentuk dan mengeluarkan transduser, nilai Kekerapan, Qm dan Qe perlu dikurangkan dengan sewajarnya dengan meningkatkan redaman pada struktur dan menukar impedans pada litar. Sudah tentu, mengurangkan nilai Qm dan Qe datang dengan mengorbankan sensitiviti (kuasa keluaran yang berkurangan). Oleh itu, nilai Q yang sesuai harus dipilih dan diselaraskan mengikut keperluan aplikasi sebenar (mengikut pengalaman, nilai Q sebenar transduser pengesanan ultrasonik tidak boleh lebih daripada 10).

(10) Prestasi penuaan bahan piezoelektrik tiub silinder piezoceramic -Sifat piezoelektrik bahan piezoelektrik terkutub akan mempunyai perubahan yang tidak dapat dipulihkan mengikut masa. Fenomena ini dipanggil 'penuaan', seperti pemalar dielektrik, Kerugian dielektrik, pemalar piezoelektrik, pekali gandingan elektromekanikal, dan keanjalan biasanya berkurangan dengan masa, dan pemalar frekuensi dan nilai Q mekanikal meningkat dengan masa. Perubahan parameter ini pada asasnya adalah linear dengan nilai logaritma masa. Ia biasanya dianggap sebagai unit sepuluh tahun, yang dipanggil 'penuaan sepuluh tahun'. Jelas sekali, indeks ini mencerminkan kestabilan masa bahan piezoelektrik. Apabila membuat transduser piezoelektrik, pertimbangan sewajarnya juga harus diberikan untuk memilih bahan dengan kestabilan masa yang lebih baik. Pada transduser ultrasonik tertentu, fenomena penuaan ini akan ditunjukkan secara khusus dalam kepekaan, pekerjaan gelombang awal, dan tahap hingar elektrik. Oleh itu, perhatian juga harus diberikan kepada kesan penuaan pada pembelian dan penyimpanan transduser.

(11) Kestabilan terma bahan piezoelektrik-Ini merujuk kepada sifat piezoelektrik bahan piezoelektrik yang malar atau tidak terdegradasi selepas tempoh operasi berterusan dalam julat suhu tertentu di bawah titik curie, terutamanya untuk persekitaran suhu tinggi .Transduser yang berfungsi harus dipilih daripada bahan dengan kestabilan haba yang baik.
11 item di atas adalah pertimbangan utama dan prinsip pemilihan apabila kami memilih bahan piezoelektrik untuk membuat transduser ujian ultrasonik. Kita harus mempertimbangkan dan memilih secara menyeluruh dengan sewajarnya mengikut aplikasi dan keperluan khusus.