Toepassing van piëzo-elektrische keramiek gebruikt in ultrasone afstandstransducers

In de afgelopen 20 jaar isDe piëzo-elektrische kristalkosten hebben zich snel ontwikkeld in binnen- en buitenland. Vanwege hun voordelen van eenvoudige productie, lage kosten en goede stabiliteit, worden ze veel gebruikt op het gebied van elektronica, licht, warmte en akoestiek, en hebben ze een breed bereik. Ultrasone transducers zijn gemaakt van piëzo-elektrisch keramiek dat ultrasone golven met een goede richtingsgevoeligheid kan produceren. Ze zijn ideaal voor het meten van parameters zoals snelheid en afstand, en kunnen stabiel en betrouwbaar werken onder zware omgevingsomstandigheden.

Over het ultrasone bereikapparaat verwijst ultrasoon naar geluidsgolven met een frequentie hoger dan 20 kHz, wat een mechanische golf is. Vanwege zijn goede richtingsgevoeligheid en tolerantie voor de omgeving, wordt het gebruikt in de koppelmeettechnologie. Ultrasoon bereikapparaat is een contactloze afstandstechniek. De methoden omvatten voornamelijk de pulsmethode, de fasemethode en de frequentieconversiemethode. Ultrasoon bereikapparaat maakt voornamelijk gebruik van de pulsmethode. Bij de pulsmethode wordt de afstandswaarde direct bepaald door de tijd te meten waarin het draaggolfpulssignaal heen en weer reist over de te meten afstand. De formule van De energieopwekking van de piëzoplaat is D=Vt2D/2, waarbij D de te meten afstand is; V is de voortplantingssnelheid van de drager in de lucht; t2D is de retourtijd van de vervoerder. De nauwkeurigheid van de pulsmethode wordt beïnvloed door de nauwkeurigheid van de tijdmeting, en de nauwkeurigheid van de tijdmeting wordt beïnvloed door de oscillatiefrequentie. Als de ultrasone golf als drager wordt gebruikt en de nauwkeurigheid van de afstandsmeting D≤1cm is, moet de nauwkeurigheid van de tijdtest t≤5,9×10-5s zijn, dat wil zeggen, zolang de oscillatiefrequentie 1,7×104 Hz bereikt, is dit zeer eenvoudig te implementeren.

Piëzo-elektrische ultrasone transducers worden gemaakt door gebruik te maken van het piëzo-elektrische effect van piëzo-elektrische materialen. Het gepolariseerde piëzo-elektrische materiaal ondergaat mechanische vervorming onder invloed van een aangelegd elektrisch veld. Dit wordt het omgekeerde piëzo-elektrische effect genoemd. Omgekeerd produceert de mechanische vervorming van het piëzo-elektrische materiaal ook een spanning, die het positieve piëzo-elektrische effect wordt genoemd. Door gebruik te maken van het omgekeerde piëzo-elektrische effect kan de hoogfrequente spanning worden omgezet in hoogfrequente mechanische trillingen om ultrasone golven te genereren; het positieve piëzo-elektrische effect kan ook worden gebruikt om de ontvangen ultrasone trillingen om te zetten in een elektrisch signaal. Dit is hoe de ultrasone transducer werkt. Piëzo-elektrische ultrasone transducers kunnen worden gezien als netwerken met vier aansluitingen en elektrische en mechanische uiteinden.

De keuze van piëzo-elektrische materialen piëzo-elektrische platen is dat piëzo-elektrische materialen voor het maken van ultrasone transducers piëzo-elektrische enkele kristallen, polykristallijne piëzo-elektrische keramiek, piëzo-elektrische hoge polymeren en piëzo-elektrische composietmaterialen omvatten. Onder hen hebben loodzirkonaattitanaat piëzo-elektrische keramieken de voordelen van hoge mechanische sterkte, temperatuur- en vochtigheidsbestendigheid, lage kosten en een goed elektromechanisch koppelingseffect, en worden ze op grote schaal gebruikt in ultrasone transducers. De ultrasone transducer in de ultrasone afstandsmeter gebruikt loodzirkonaat-titanaat piëzo-elektrisch keramiek als vibratormateriaal.

Als twee langwerpig piëzo-elektrische schijf Piëzo-elektrische kristallen van dezelfde dikte en gepolariseerd zijn met elkaar verbonden, er kunnen buigtrillingen worden gegenereerd wanneer een opwindend elektrisch veld wordt aangelegd om ervoor te zorgen dat ze worden verlengd en de andere worden ingekort. De twee piëzo-keramische platen die zijn verbonden, zijn in tegengestelde richtingen gepolariseerd en in serie met de voeding verbonden; de parallelle verbindingsmodi van de twee piëzo-keramische platen met dezelfde polarisatierichting worden getoond. In twee piëzo-keramische kleefvellen wekt het elektrische veld slechts één ervan op, waardoor buigtrillingen ontstaan. Op soortgelijke wijze kan het hechten van twee piëzo-elektrische keramische platen aan een dunne metalen plaat, of het hechten van een keramische plaat aan een dunne metalen plaat, ook een buigtrillingsdikte produceren. De resonantiefrequentie fr van de buigtrillingsmodus en de lengte van de plaat. De relatie tussen de totale dikte t en de zelfklevende plaat is fr = Nlttl2, waarbij Nlt een frequentieconstante is. De diktebuigtrillingsmodus is toepasbaar op een frequentiebereik van 500 Hz tot 100 kHz. De grootte van een dergelijke vibrator is over het algemeen de breedte van de keramische plaat, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5t. De dikteschuifvibratiemodus wordt gekenmerkt doordat het elektrodeoppervlak evenwijdig is aan de polarisatierichting, en de piëzo-keramische plaat wordt onderworpen aan schuiftrilling in de dikterichting onder invloed van een wisselend elektrisch veld. De dikteafschuifmodus is relatief eenvoudig te exciteren en wordt voornamelijk gebruikt in het hoge frequentiebereik van 10 tot 60 kHz, dat niet in detail zal worden beschreven. In de ultrasone afstandsmeter zendt de piëzo-elektrische transducer ultrasone golven uit en is de amplitude van de vibratie van de vibrator groot, dus de buigtrillingsmodus verdient de voorkeur. Tegelijkertijd is het, omdat de akoestische impedantie van lucht extreem laag is, onmogelijk voor een algemeen piëzo-elektrisch materiaal om een ​​impedantie-aanpassing daarmee te bereiken, en daarom moet dit worden gerealiseerd door middel van een overgangslaag. Het is gebleken dat het piëzo-elektrische keramische stuk is gebonden aan het dunne metalen stuk, en de piëzo-elektrische transducer-echografie wordt gebruikt als excitatiebron om een ​​buigtrillingsmodus te genereren, die een grote amplitude en een kleine akoestische impedantie heeft, en een akoestische impedantie kan bereiken die overeenkomt met lucht. . Dit artikel heeft de vorm van een gebonden structuur van piëzo-keramische platen en dunne metalen platen.

 De dunne metalen platen kunnen ook dienen als een beschermende film om de piëzo-elektrische keramiek en elektroden te beschermen tegen slijtage en beschadiging. Het materiaal kan worden gekozen uit een nikkel-chroom-titaniumlegering met hoge stabiliteit. Omdat het dunnere metaal hoger is, is de geluidsdruk heen en weer gaande transmissie, het metalen stuk is ontworpen om dun te zijn, over het algemeen ongeveer 0,1 mm. De vorm en grootte van de vibrator in de ultrasone afstandsmeter vereist dat het overgedragen ultrasone veld waaiervormig is, gezien het gebruik van een rechthoekige vibrator als golfbron. Een rechthoekige golfbron met lengte L en breedte W wordt gebruikt voor zuigertrilling, en het longitudinale golfgeluidsveld dat in het gasmedium wordt uitgestraald is vergelijkbaar met de schijfbron. De hoofdbundel van de straling is een vierhoekige piramide, een perspectiefaanzicht van de gerichte hoofdlob van de rechthoekige golfbron. De ultrasone afstandsmeter zendt een ultrasone golf van 36 kHz uit voor een enkel frequentiebereik, dat wil zeggen dat de resonantiefrequentie van de piëzo-elektrische keramische oscillator 36 kHz is. Deze frequentie voldoet niet alleen aan de eisen van het systeem op het gebied van detectiebereik, nauwkeurigheid en gevoeligheid, maar zorgt er ook voor dat de uitgezonden ultrasone golven een hogere efficiëntie hebben bij de luchtvoortplanting. Door de formuleberekening en experimentele correctie wordt de grootte van de piëzo-elektrische keramische rechthoekige vibrator bepaald als: L = 26,5 mm, B = 11,2 mm, de piëzo-elektrische transducer is ontworpen als een dichte structuur van fundamentele frequentieresonantie en de schaal is gemaakt van technisch plastic. Het kan metalen en keramische kleefplaten fixeren en beschermen. De twee elektrodepennen zijn respectievelijk verbonden met de elektrode van het metaal en het keramische stuk via de aansluitdraden, en de verbindingswijze kan worden gesoldeerd door soldeer of geleidende lijm bij lage temperatuur.