Teknisk prinsipp og anvendelse av ultrasonisk rekkevidde transduser

         Teknisk prinsipp og anvendelse av ultrasonisk rekkevidde transduser

Ultralydtransdusere er sensorer utviklet ved å bruke egenskapene til ultralydbølger. Ultralyd er en mekanisk bølge med en vibrasjonsfrekvens som er høyere enn lydbølger, som genereres av vibrasjonen av transduserbrikken under eksitering av spenning. Den har høy frekvens, kort bølgelengde, lite diffraksjonsfenomen, spesielt god retningsevne, og kan orienteres som strålespredningsegenskaper. Ultralyd har stor penetreringsevne til væsker og faste stoffer, spesielt i faste stoffer som er ugjennomsiktige for sollys, kan den trenge ned til titalls meters dyp. Ultralydbølger vil produsere betydelige refleksjoner når de møter urenheter eller grensesnitt for å danne ekko, og når de møter objekter i bevegelse, vil de produsere Doppler-effekter. Derfor er ultralyddeteksjon mye brukt i industri, nasjonalt forsvar, biomedisin, etc. Ultralydtransduser for avstand brukes som deteksjonsmetode, og ultralydbølger skal genereres og mottas. Enheten som fullfører denne funksjonen er en ultralydsensor, som vanligvis kalles en medisinsk enhet, eller en ultralydsonde.

De ultrasonisk transdusersonde er hovedsakelig sammensatt av piezoelektrisk keramikk, som både kan overføre og motta ultralydbølger. Ultralydsonder med lav effekt brukes mest til deteksjon. Den har mange forskjellige strukturer, som kan deles inn i rett sonde (lengdebølge), skrå sonde (skjærbølge), overflatebølgesonde (overflatebølge), Lammebølgesonde (Lammebølge), dobbel sonde (én sonderefleksjon, én sondemottak) vente.

Kjernen i en ultralydnivåtransduser er en piezoelektrisk keramikk i plast- eller metallkappen. Det er mange typer materialer som utgjør oblaten. Størrelsen på brikken, som diameter og tykkelse, er også forskjellig, så ytelsen til hver sonde er forskjellig, og vi må vite ytelsen på forhånd før du bruker den. De viktigste ytelsesindikatorene til ultralydsensorer inkluderer:

(1) Arbeidsfrekvens. Driftsfrekvensen til ultralydavstandstransduseren er resonansfrekvensen til den piezoelektriske keramiske krystallen. Når frekvensen til AC-spenningen påført til de to endene er lik resonansfrekvensen til brikken, er utgangsenergien størst og følsomheten høyest.

(2) Arbeidstemperatur. Siden curie-punktet til det piezoelektriske materialet generelt er relativt høyt, spesielt når kraften til piezoelektrisk ultralydsonde for diagnose er relativt liten, arbeidstemperaturen er relativt lav, og den kan fungere i lang tid uten feil. Temperaturen på ultralydsonden som brukes i den medisinske behandlingen er relativt høy, og det kreves en separat kjøleanordning.

(3) Følsomhet. Mye avhenger av å lage selve oblaten. Jo større den elektromekaniske koblingskoeffisienten, desto høyere er følsomheten; ellers, jo lavere følsomhet.

Struktur og arbeidsprinsipp

Når spenning påføres piezoelektrisk keramisk transduser , mekanisk deformasjon vil oppstå med endringer i spenning og frekvens. På den annen side, når den piezoelektriske keramikken vibreres, genereres en elektrisk ladning. Ved å bruke dette prinsippet, når et elektrisk signal påføres en vibrator som består av to piezoelektriske keramikk eller en piezoelektrisk keramikk og en metallplate, det såkalte bimorfe elementet, vil ultralydbølger sendes ut på grunn av bøyningsvibrasjoner. I stedet, når ultralydvibrasjoner påføres det bimorfe elementet, genereres et elektrisk signal. Basert på de ovennevnte effektene kan piezoelektrisk keramikk brukes som ultralydsensorer.

Som en ultralydsvinger er en komposittvibrator fleksibelt festet på basen. Komposittvibratoren er en kombinasjon av en resonator og en bimorf elementvibrator som består av en metallplate og en piezoelektrisk keramisk plate. Resonatoren er i form av en trompet, formålet er å effektivt utstråle ultralydbølgene som genereres av vibrasjon, og å effektivt fokusere ultralydbølgene på den viktigste delen av vibratoren.

Ultralydsvinger for utendørs bruk må ha god tetning for å hindre inntrenging av dugg, regn og støv. Piezoelektrisk keramikk er festet på innsiden av toppen av metallboksen. Basen er festet til den åpne enden av boksen og dekket med harpiks. For ultralydsensorer som brukes i industriroboter, kreves det at tykkelsen når 1 mm, og den har sterk ultralydstråling.

Det er umulig å oppnå dette ved frekvenser høyere enn 70 kHz ved å bruke bøyningsvibrasjonen til en konvensjonell bimorf elementvibrator. Derfor, i høyfrekvent deteksjon, må piezoelektrisk keramikk med vertikal tykkelse vibrasjonsmodus brukes. I dette tilfellet blir tilpasningen av den akustiske impedansen til piezoelektrisk keramikk og luft veldig viktig. Den akustiske impedansen til piezoelektrisk keramikk er 2,6×107 kg/m2s, mens den akustiske impedansen til luft er 4,3×102kg/m2s. Forskjeller i styrker på 5 fører til betydelige tap ved den piezokeramiske vibrerende utstrålende overflaten. Et spesielt materiale festet til den piezoelektriske keramikken fungerer som et akustisk matchende lag, som matcher den akustiske impedansen til luft. Denne strukturen kan gjøre det mulig for ultralydsensoren å fungere normalt selv når frekvensen er så høy som hundrevis av kHz.