Parameters van piëzo-elektrische materialen en piëzo-elektrische vergelijkingen (3)

(11)Mechanische kwaliteitsfactor Qm

Wanneer de PZT-materiaal piëzo-keramiek wordt gebruikt voor resonantietrilling, het is noodzakelijk om het interne mechanische wrijvingsverlies (intern verbruik) te overwinnen, en wanneer er een belasting is, is het noodzakelijk om het externe belastingsverlies te overwinnen. De mechanische kwaliteitsfactor Qmo (mechanische Q-waarde bij nullast) is gerelateerd aan deze mechanische verliezen. En Qm (mechanische Q-waarde onder belasting). Het wordt gedefinieerd als: Qm = mechanische energie opgeslagen door de piëzo-elektrische vibrator bij resonantie / mechanische energie verloren tijdens de resonantieperiode. Het weerspiegelt de hoeveelheid energie die het piëzo-elektrische lichaam verbruikt om het mechanische verlies tijdens trillingen te overwinnen. Een grotere Qm betekent minder mechanisch energieverlies. Het bestaan ​​van Qm geeft ook aan dat het voor welk piëzo-elektrisch materiaal dan ook onmogelijk is om alle ingevoerde mechanische energie voor uitvoer te gebruiken. Bij resonantie: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], waarbij ZC de akoestische impedantie van de piëzo-elektrische vibrator is; Zl is de akoestische impedantie van de belasting; Zb is het dempingsblok in de akoestische impedantie van de piëzo-elektrische transducer. Voor een piëzo-elektrische transducer zijn Qm en Qe niet constant. Ze houden verband met de werkfrequentie, frequentiebandbreedte, productieproces, structuur en stralingsmedium (belasting) van de piëzo-elektrische transducer. Op de piëzo-elektrische transducer die wordt gebruikt in ultrasone detectietechnologie, is het, wanneer Qm te hoog is, gemakkelijk om de door de vibrator gegenereerde trillingsgolfvorm te lang te maken (rinkelend fenomeen), wat resulteert in golfvormvervorming en een lagere resolutie. Op dezelfde manier wordt Qe niet groter en groter. De keuze en bepaling van Qm en Qe moet worden bepaald op basis van de werkelijke behoeften. Een grote Q-waarde betekent dat het energieverbruik klein is tijdens het piëzo-elektrische effect. Het kan de hoeveelheid gegenereerde warmte verminderen in het geval van toepassingen met hoog vermogen en hoge frequentie of toepassingen met puur transmissievermogen, wat een voordeel is. Voor een transducer voor detectiedoeleinden is een grote Q-waarde echter nadelig voor het verbreden van de frequentieband, het verbeteren van de golfvorm en het vergroten van de resolutie. Omdat de Q-waarde ook verandert met de aard van de belasting (het belastingsmedium waarmee de waterdompelsonde wordt geconfronteerd en de contactmethode-sonde zijn bijvoorbeeld verschillend), moet bovendien ook rekening worden gehouden met de invloed van het belastingsmedium bij het ontwerpen van de transducer (stralingsimpedantie).

(12)Elektromechanische koppelingscoëfficiënt K
Dit is een belangrijke parameter voor het onderzoeken van piëzo-elektrische materialen vanuit het perspectief van energie. De definitie ervan is tijdens een positief piëzo-elektrisch effect, de externe spanning E = 0, en er zijn: K2 = elektrische energie opgeslagen in het piëzo-elektrische lichaam onder ideale omstandigheden. De totale mechanische energie-invoer in het piëzo-elektrische lichaam onder de omstandigheden, of met andere woorden: K2 = de geconverteerde mechanische energie die ervoor zorgt dat de lading tussen de aangesloten elektroden beweegt / de ingevoerde mechanische energie die volgt op de uitgeoefende spanning, de externe spanning τ tijdens het omgekeerde piëzo-elektrische effect = 0, ja: K2 = opgeslagen mechanische energie in het piëzo-elektrische lichaam onder ideale omstandigheden / totale elektrische energie-invoer in het piëzo-elektrische lichaam onder ideale omstandigheden of: K2 = geconverteerde elektrische energie die mechanische spanning veroorzaakt / ingevoerde elektrische energie onder druk transistors hebben tegelijkertijd elasticiteit, diëlektriciteit en piëzo-elektriciteit, en ze werken samen. Om deze reden is het noodzakelijk om deze fysieke grootheid te introduceren om deze kenmerken op een uniforme manier te bekijken, die de mate van koppelingssterkte tussen mechanische energie en elektrische energie aangeeft. In fysieke zin beschrijft het alleen conversie en is het niet gelijk aan efficiëntie, en de omgezette energie wordt mogelijk niet volledig omgezet in uitgestraalde of afgegeven energie (inclusief intern verbruik en feedback, enz.). Natuurlijk kan in zekere zin ook worden gezegd dat de elektromechanische koppelingscoëfficiënt K de 'efficiëntie' vertegenwoordigt van het piëzo-elektrische lichaam dat elektrische energie omzet in elastische energie, of elastische energie omzet in elektrische energie. Het wordt voornamelijk bepaald door het type piëzo-elektrisch materiaal. Het hangt ook af van de trillingsmodus van het piëzo-elektrische lichaam, maar heeft niets te maken met de waarde van de resonantiefrequentie van de transducer. Bovendien hangt de K-waarde ook af van de structuur van de piëzo-elektrische transducer, de bedrijfsomstandigheden en de elektrodegrootte en positie van het piëzo-elektrische lichaam. We kunnen de energiedichtheid U (energie in een volume-eenheid) van piëzo-elektrische materialen in drie delen verdelen: één is de elastische energiedichtheid, één is de energiedichtheid van het elektrische veld (diëlektrische energiedichtheid), en één is de piëzo-elektrische uitwisselingsenergiedichtheid Um (laat thermische en magnetische energie-items weg).

Het eerste deel hier is het mechanische deel van de materiaal-mechanische elastische energie, het tweede deel van piëzokeramische ringcomponenten zijn de elektrische deel-elektrische veldenergie, en het derde deel is de energiedichtheid van de interactie tussen elastische energie en diëlektrische energie. De totale interne energie is: U = Ue + Ud + 2Um. Aangezien piëzo-elektrische energie uitwisselbare energie is, wordt deze verdubbeld. Daarom kunnen we de elektromechanische koppelingscoëfficiënt op een andere manier definiëren: K = Um / (UeUd) 1/2. Of: K = Geometrisch gemiddelde waarde van piëzo-elektrische energie / elastische energie en diëlektrische energie. De reden voor het kiezen van de geometrische gemiddelde waarde van elastische energie en diëlektrische energie is om rekening te houden met de ongelijke energieverdeling van elk klein deel van het piëzo-elektrische kristal. Op deze manier kunnen we zeggen dat de verhouding van de energie die piëzo-elektrisch kan worden omgezet in een eenheidsvolume piëzo-elektrisch materiaal de elektromechanische koppelingscoëfficiënt is. Ud en Ue kunnen bijvoorbeeld niet piëzo-elektrisch worden omgezet, maar het is geen energieverlies. Voor specifieke materialen, zoals kwarts, is het energieverlies klein en is de conversie-efficiëntie zeer hoog, maar de elektromechanische koppelingscoëfficiënt is lager dan die van piëzo-elektrische keramiek, terwijl de conversie-efficiëntie van piëzo-elektrische keramiek niet hoog is. Een groot deel kan piëzo-elektrisch worden omgezet, waardoor de elektromechanische koppelingscoëfficiënt hoog is. Vanaf hier kunnen we het verschil herkennen tussen elektromechanische koppelingscoëfficiënt en efficiëntie. De elektromechanische koppelingscoëfficiënt is een energieverhouding, dimensieloos, en de maximale waarde is 1. Wanneer K = 0 betekent dit dat er geen piëzo-elektrisch effect optreedt. De gebruikelijke elektromechanische koppelingscoëfficiënten zijn als volgt:

(1) Elektromechanische koppelingscoëfficiënt Kp voor radiale trillingen (ook bekend als vlakke elektromechanische koppelingscoëfficiënt): weerspiegelt het elektromechanische koppelingseffect van een dun schijfvormig piëzo-elektrisch kristal wanneer het wordt onderworpen aan radiale telescopische trillingen, op voorwaarde dat de wafeldiameter ≥3 maal de wafeldikte t is. De dikterichting is de polarisatierichting en de richting van het aangelegde elektrische veld.

(2) Transversale trillingen (transversale lengtetrilling) elektromechanische koppelingscoëfficiënt K31 weerspiegelt het elektromechanische koppelingseffect wanneer het lange plaatvormige piëzo-elektrische kristal met de dikterichting als de polarisatierichting zich uitstrekt en samentrekt in de lengterichting, op voorwaarde dat de lengte van de plaat l≥3 maal is. De breedte en dikte van de vlokken.

(3) Elektromechanische koppelingscoëfficiënt K33 van longitudinale trillingen (trillingen in de lengterichting): weerspiegelt het elektromechanische koppelingseffect van telescopische trillingen in de lengterichting wanneer het slanke staafvormige piëzo-elektrische kristal gepolariseerd is in de dikterichting en de elektrische veldrichting hetzelfde is als de polarisatierichting. De voorwaarde is een staafbreedte en -dikte of -diameter met een lengte l≥3 keer.

(4) Elektromechanische koppelingscoëfficiënt Kt van diktetrilling: weerspiegelt het elektromechanische koppelingseffect van plaatvormige piëzo-elektrische kristallen gepolariseerd in de dikterichting en de elektrische veldrichting is ook in de dikterichting. Voorwaarde is dat de dikte van de wafel kleiner is dan de zijlengte of diameter van de wafel.

(5) Elektromechanische koppelingscoëfficiënt van dikteschuiftrilling K15: weerspiegelt het elektromechanische koppelingseffect van dikteschuiftrilling van piëzo-elektrisch kristal.

Samenvattend kunnen we concluderen dat de belangrijkste selectieprincipes bij het selecteren van piëzo-elektrische materialen voor het maken van piëzo-elektrische transducers in praktische toepassingen van ultrasoon testen als volgt zijn: (1) Hoe groter de waarde van d33-d33, hoe beter de emissieprestaties. . Het is duidelijk dat het bij het maken van een zendtransducer beter is om een ​​materiaal te kiezen met een zo groot mogelijke d33-waarde; (2) Hoe groter de waarde van g33--g33, hoe beter de ontvangstprestatie. Als u een ontvangende transducer wilt maken, moet u uiteraard zoveel mogelijk een materiaal kiezen met een hoge waarde van g33; Als u een transducer moet maken die zowel zenden als ontvangen combineert, moet u als alomvattende overweging ook een waarde kiezen die dicht bij en zo groot is als d33 en g33. (3) Akoestische impedantie Z (Z = ρc) - Gezien het feit dat de reflectie en transmissie van ultrasone golven verband houden met het verschil in akoestische impedantie tussen het medium. het kleinere verschil in akoestische impedantie is de hogere ultrasone transmissie. Om zoveel mogelijk ultrasone golven van de piëzo-elektrische transducer het testmedium te laten binnenkomen, moet een piëzo-elektrisch materiaal worden geselecteerd waarvan de akoestische impedantie zo dicht mogelijk bij de akoestische impedantie van het contactmedium ligt. Opgemerkt moet worden dat het bestaan ​​van het elektrische veld de schijnbare geluidssnelheid in het piëzo-elektrische materiaal zal beïnvloeden, en dat zelfs de akoestische impedantie van het piëzo-elektrische materiaal in de werkende toestand zal veranderen. (4) Elektromechanische koppelingscoëfficiënt Kt van diktetrilling - In de ultrasone detectietechnologie is de belangrijkste toepassing de piëzo-elektrische chip van het diktetrillingstype, dus hoe groter de waarde van Kt, hoe beter de elektromechanische conversieprestaties, waardoor de gevoeligheid van de transducer hoger is. (5) Elektromechanische koppelingscoëfficiënt Kp van radiale trillingen - Wanneer de piëzo-elektrische chip diktetrilling uitvoert, is er tegelijkertijd ook radiale trilling, die de diktetrilling zal verstoren en golfvormvervorming, geluidstoename of -toename zal veroorzaken, enz. Er wordt gehoopt dat de Kp-waarde zo klein mogelijk moet zijn. Over het algemeen geldt: hoe groter de Kt/Kp-waarde, hoe beter.

(6) Diëlektrische constante ε - De piëzo-elektrische wafel vormt een condensator nadat de elektroden zijn gecoat, en de capaciteit ervan komt overeen met C = εA / t, dat wil zeggen de diëlektrische constante ε, het relatieve gebied A van de elektroden en de elektrode-afstand (wafeldikte) t gerelateerd. In de schakeling betekent een kleine capaciteit een grote capacitieve reactantie, die geschikt is voor gebruik als hoogfrequent piëzo-elektrisch element. In het bijzonder werkt de ultrasone detectietransducer meestal in het megahertz-frequentiebereik, dus het is vereist dat de ε van het piëzo-elektrische materiaal kleiner is. Omgekeerd moet, wanneer het wordt gebruikt om laagfrequente piëzo-elektrische componenten te maken (zoals luidsprekers en microfoons in het audiobereik), een materiaal met een grote ε worden geselecteerd om te voldoen aan de bijpassende vereisten van grote capaciteit en lage capacitieve reactantie. Opgemerkt moet worden dat de waarde van ε ook verband houdt met de mechanische vrijheid van de transducer, dat wil zeggen dat de diëlektrische constanten van de mechanische klemtoestand en de mechanische vrije toestand verschillend zijn, dus er zijn verschillen tussen εe en ετ. Bovendien is de relatie tussen ε en frequentie ook gevoeliger, dus de ε-waarde moet feitelijk worden gemeten op basis van de specifieke werkfrequentie. Het betekent dat piëzo-elektrische wafels van dezelfde dikte een hogere resonantiefrequentie hebben, of dat de dikte van de wafel groter is bij dezelfde resonantiefrequentie, wat handig is voor het verwerken en vervaardigen van hoogfrequente componenten. Daarom moet een materiaal met een grotere Nt-waarde worden geselecteerd.

(8) Ferro-elektrisch Curiepunt Tc - Het ferro-elektrische kristal heeft alleen ferro-elektriciteit binnen een bepaald temperatuurbereik. Wanneer de temperatuur het ferro-elektrische curiepunt bereikt, verliest het kristal ferro-elektriciteit en zijn de diëlektrische, piëzo-elektrische, optische, elastische en thermische eigenschappen allemaal abnormaal. De meeste ferro-elektrische materialen hebben slechts één curiepunt, maar een paar ferro-elektrische materialen hebben bovenste en onderste curiepunten, en ze hebben alleen ferro-elektriciteit in het temperatuurbereik tussen de bovenste en onderste curiepunten. Het bovenste curiepunt van loodzirkonaattitanaat is bijvoorbeeld 115-120 ° C en het onderste curiepunt is -5 ° C. Als 5% calciumtitanaat aan bariumtitanaat wordt toegevoegd, kan het onderste curiepunt -40 ° C bereiken. Bovendien hebben sommige ferro-elektrische materialen geen curiepunt, zoals sommige speciale polymere piëzo-elektrische materialen (omdat ze zijn gesmolten of zelfs verbrand wanneer ze een bepaalde temperatuur bereiken).

Opgemerkt moet worden dat wanneer de werkelijke temperatuur het curiepunt niet heeft bereikt, de prestaties van veel piëzo-elektrische transducers (zoals Kt, enz.) aanzienlijk zijn afgenomen of verslechterd (de bariumtitanaatsonde verslechtert bijvoorbeeld bij 60-70 ° C). Bovendien is de hoogste temperatuur waarbij hij kan werken niet gelijk aan het vermogen om plotselinge temperatuurveranderingen te weerstaan, wat wordt veroorzaakt door het bestaan ​​van anisotropie, inclusief de thermische uitzettingscoëfficiënt. Daarom moet, in het geval van hogere temperaturen, zoals laselektroden en verwarming tijdens het gieten van het absorptieblok tijdens het daadwerkelijke gebruik van de transducer en het proces van het maken van de transducer, bij het selecteren van een piëzo-elektrisch materiaal specifieke aandacht worden besteed aan de bedrijfsomstandigheden van de transducer.

(9) Mechanische kwaliteitsfactor Qm en elektrische kwaliteitsfactor Qe-In praktische toepassingen zal er, als de Qm- en Qe-waarden groot zijn, een 'ringing'-fenomeen optreden, resulterend in golfvormvervorming en verminderde resolutie, die niet bevorderlijk zijn voor detectie. De situatie doet zich voor. Daarom wordt, uitgaande van de behoeften van de detectietechnologie, over het algemeen niet verwacht dat Qm en Qe te groot zullen zijn, om de kenmerken van het echosignaal werkelijk weer te geven en ervoor te zorgen dat de detectieresolutie voldoet aan de detectievereisten. Naast het in overweging nemen bij het selecteren van materialen, bij het ontwerpen en vervaardigen van transducers, moeten de frequentie-, Qm- en Qe-waarden op passende wijze worden verlaagd door de demping op de structuur te vergroten en de impedantie op het circuit te veranderen. Uiteraard gaat het verlagen van de Qm- en Qe-waarden ten koste van de gevoeligheid (verminderd uitgangsvermogen). Daarom moet de juiste Q-waarde worden geselecteerd en aangepast aan de behoeften van de daadwerkelijke toepassing (volgens ervaring mag de werkelijke Q-waarde van de ultrasone detectietransducer niet groter zijn dan 10).

(10) Verouderingsprestaties van piëzo-elektrische materialen piëzokeramische cilinderbuis - De piëzo-elektrische eigenschappen van gepolariseerde piëzo-elektrische materialen zullen in de loop van de tijd onomkeerbare veranderingen ondergaan. Dit fenomeen wordt 'veroudering' genoemd, zoals diëlektrische constante, diëlektrische verliezen, piëzo-elektrische constanten, elektromechanische koppelingscoëfficiënten en elasticiteit nemen gewoonlijk af met de tijd, en frequentieconstanten en mechanische Q-waarden nemen toe met de tijd. De verandering van deze parameters is in principe lineair met de logaritmische waarde van tijd. Het wordt algemeen beschouwd als een eenheid van tien jaar, die 'tienjarige veroudering' wordt genoemd. Het is duidelijk dat deze index de tijdstabiliteit van piëzo-elektrische materialen weerspiegelt. Bij het maken van piëzo-elektrische transducers moet ook de nodige aandacht worden besteed aan het selecteren van materialen met een betere tijdstabiliteit. Op een specifieke ultrasone transducer zal dit verouderingsverschijnsel zich specifiek manifesteren in de gevoeligheid, de initiële golfbezetting en het elektrische ruisniveau. Daarom moet er ook aandacht worden besteed aan het effect van veroudering op de aanschaf en opslag van de transducer.

(11) Thermische stabiliteit van piëzo-elektrische materialen - Dit verwijst naar de piëzo-elektrische eigenschappen van piëzo-elektrische materialen die constant of niet verslechteren na een periode van continu gebruik in een bepaald temperatuurbereik onder het curiepunt, vooral voor omgevingen met hoge temperaturen. De werkende transducer moet worden geselecteerd uit materialen met een goede thermische stabiliteit.
De bovenstaande 11 items zijn de belangrijkste overwegingen en selectieprincipes wanneer we piëzo-elektrische materialen kiezen om ultrasone testtransducers te maken. We moeten een uitgebreide afweging maken en een passende keuze maken op basis van de specifieke toepassing en behoeften.