Werkingsprincipe van piëzo-elektrische keramische transducer

Overzicht van piëzo-elektrische keramische transducers

Piëzo-elektrische keramische transducer is samengesteld uit piëzo-elektrisch keramisch kristal en lichte en zware twee metalen. Na polarisatiebehandeling bij een bepaalde temperatuur heeft het een piëzo-elektrisch effect. Piëzo-elektrische keramische ultrasone transducers zijn al lange tijd in het onderzoeksveld van mensen terechtgekomen. Het is eenvoudig te vervaardigen, heeft een sterke bestuurbaarheid, hoge gevoeligheid en goede elektromechanische koppeling. Transducers  zijn  ontwikkeld op basis van piëzo-elektrische keramiek, waaronder krachtige ultrasone transducers en ultrasone detectietransducers.

Ultrasone technologie is een veelgebruikte niet-destructieve testtechnologie. Het is gebaseerd op de akoestische theorie en wordt voortdurend gebruikt op het gebied van elektronica, communicatie, geneeskunde, biologie en natuurkunde. In de moderne detectietechnologie krijgen transducers die zijn ontwikkeld met behulp van ultrasone technologie steeds meer aandacht vanwege hun hoge gevoeligheid en hoge nauwkeurigheid.

Veelgebruikte transducers in het inspectieproces zijn piëzo-ringtransducers, magnetostrictieve transducers, elektromagnetische akoestische transducers en lasertransducers. De meest gebruikte is de piëzo-elektrische transducer; het kernonderdeel is de piëzo-elektrische chip. De piëzo-elektrische wafel kan door de druk worden vervormd, wat leidt tot polarisatie van de wafel zelf, en er verschijnen positieve en negatief gebonden ladingen op het oppervlak van de wafel. Dit effect is een piëzo-elektrisch effect. Bovendien is het piëzo-elektrische effect omkeerbaar, dat wil zeggen dat het vervormt wanneer er spanning op de wafer wordt gezet. Tijdens het detectieproces kan de ultrasone sensor ultrasone golven genereren door gebruik te maken van het omgekeerde piëzo-elektrische effect, en het piëzo-elektrische effect gebruiken om het doel van het ontvangen van ultrasone golven te bereiken. Piëzo-elektrische keramische ultrasone transducers zijn al lange tijd in het onderzoeksveld van mensen terechtgekomen. Het is eenvoudig te vervaardigen, heeft een sterke bestuurbaarheid, hoge gevoeligheid en goede elektromechanische koppeling. Transducers die zijn ontwikkeld op basis van piëzo-elektrische keramiek omvatten krachtige ultrasone transducers en ultrasone detectietransducers.

Werkingsprincipe van piëzo-elektrische keramische transducer

Het principe van piëzo-elektrische keramische transducers is dat wanneer druk of spanning wordt uitgeoefend op de pzt  -keramiek, er aan beide uiteinden van de keramiek ladingen met tegengestelde polariteiten worden gegenereerd en dat er stroom door het circuit wordt gegenereerd. Dit effect wordt het piëzo-elektrisch effect genoemd. Als een transducer gemaakt van dit piëzo-elektrische keramiek in water wordt geplaatst, zullen er onder invloed van geluidsgolven ladingen worden geïnduceerd aan beide uiteinden van de transducer, die een akoestische golfontvanger is. Bovendien is het piëzo-elektrische effect omkeerbaar. Als een wisselend elektrisch veld wordt aangelegd op de piëzo-elektrische keramische plaat, zal de piëzo- keramische plaat van tijd tot tijd dunner en dikker worden en tegelijkertijd trillingen genereren en geluidsgolven uitzenden. Daarom is het probleem van de ultrasone zender opgelost.

Er zijn twee soorten piëzokeramische ringcomponenten  magnetostrictief metaal en piëzo-elektrische keramiek. Het doel van dit artikel is het ontwerpen van transducers voor mechanische ultrasone bewerking met hoog vermogen, dus alleen piëzo-elektrische keramische transducers worden besproken. Als een soort energietransmissienetwerk heeft de piëzo-elektrische keramische transducer het probleem van de efficiëntie van de energieomzetting. De conversie-efficiëntie hangt samen met de keuze van het transducermateriaal, de trillingsvorm, de structuur van het mechanische trillingssysteem (inclusief ondersteuningsmechanisme) en de werkfrequentie. Daarom moet bij het ontwerp van ultrasone transducers rekening worden gehouden met verschillende factoren, zoals akoestische impedantie, frequentierespons, impedantie-aanpassing, akoestische structuur, trillingsmodus en conversiematerialen, evenals hoe deze factoren moeten worden ontworpen en gecoördineerd om de beste waarde voor elektro-akoestische conversie te bereiken.

Piëzo-elektrische keramische transducer is een elektronisch keramisch materiaal met piëzo-elektrische eigenschappen. Het belangrijkste verschil met een typisch piëzo-elektrisch kwartskristal dat geen ferro-elektrische componenten bevat, is dat de kristalfasen die de hoofdcomponenten vormen, ferro-elektrische kristalkorrels zijn. Omdat piëzo- keramiek polykristallijne aggregaten zijn met willekeurig georiënteerde korrels, is de spontane polarisatievector van elke ferro-elektrische korrel ook gedesoriënteerd. Om ervoor te zorgen dat het piëzo- keramiek s macro-piëzo-elektrische eigenschappen vertoont, moet het piëzo-elektrische keramiek na het bakken worden gepolariseerd in een sterk elektrisch gelijkstroomveld, en wordt het eindvlak onderworpen aan meerdere elektroden, zodat de polarisatievector van de oorspronkelijke wanordeoriëntatie bij voorkeur in de richting van het elektrische veld. Na de polarisatiebehandeling zal het piëzo-elektrische keramiek een bepaalde macro-restpolarisatie-intensiteit behouden, zodat het keramiek een bepaalde druk heeft.

Toepassing van piëzo-elektrische keramische transducer

Probeer het toe te passen vanwege de contactloze voordelen van ultrasone technologie piëzo-elektrische keramische ultrasone transducers naar het vloeistofconcentratiedetectiesysteem. De chip in het systeem maakt gebruik van de Spartan 3E-serie FPGA. De piëzo-elektrische keramische transducer speelt een belangrijke rol bij het verzenden en ontvangen van signalen. Het door de transducer gegenereerde ultrasone signaal met een bepaalde frequentie en amplitude wordt via het zendcircuit in de vloeistof gedreven. Nadat het signaal door de vloeistof is verzwakt, kan het signaal met informatie over de vloeistofconcentratie worden ontvangen van de ontvangende transducer. Door de analyse van de geluidsdempingsmethode wordt effectief de geschatte concentratie van de vloeistof verkregen. Het softwareontwerp van het systeem omvat het hoofdprogramma, het ultrasone meetprogramma, het pulscontroleprogramma, het pulszendontvangerprogramma, het ADC-acquisitiecontroleprogramma en het klok- en alarmprogramma.

In het experiment kan eerst de statische vloeistof worden gemeten, wordt de ultrasone verzwakkingsmethode gebruikt om het aan de ontvangende kant verzamelde signaal te analyseren, wordt de omhulling verwerkt en wordt de concentratie-informatie verkregen door het signaalvoortplantingspad (buisdiameter) te combineren. Vervolgens wordt de dynamische meting van de dynamische vloeistof uitgevoerd en moet het signaalvoortplantingspad rekening houden met de stroomsnelheid van de vloeistof om het geschatte pad te berekenen.