Zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej stosowanej w ultradźwiękowym przetworniku odległości

W ciągu ostatnich 20 latKoszt kryształów piezoelektrycznych szybko wzrósł w kraju i za granicą. Ze względu na zalety prostej produkcji, niski koszt i dobrą stabilność, są one szeroko stosowane w dziedzinie elektroniki, światła, ciepła i akustyki i mają szeroki asortyment. Przetworniki ultradźwiękowe są wykonane z ceramiki piezoelektrycznej, która może wytwarzać fale ultradźwiękowe o dobrej kierunkowości. Idealnie nadają się do pomiaru parametrów takich jak prędkość i dystans, a także mogą pracować stabilnie i niezawodnie w trudnych warunkach środowiskowych.

Jeśli chodzi o ultradźwiękowe urządzenie do pomiaru odległości, pojęcie ultradźwiękowe odnosi się do fal dźwiękowych o częstotliwości wyższej niż 20 kHz, które są falami mechanicznymi. Ze względu na dobrą kierunkowość i tolerancję na środowisko jest stosowany w technologii pomiaru momentu obrotowego. Ultradźwiękowe urządzenie do pomiaru odległości jest techniką bezdotykową. Metody te obejmują głównie metodę impulsową, metodę fazową i metodę konwersji częstotliwości. Ultradźwiękowe urządzenie do pomiaru odległości wykorzystuje głównie metodę impulsową. Metoda impulsowa bezpośrednio określa wartość odległości poprzez pomiar czasu, w którym sygnał impulsu nośnego przemieszcza się tam i z powrotem na mierzonym dystansie. Formuła wytwarzanie energii przez płytę piezoelektryczną wynosi D=Vt2D/2, gdzie D oznacza odległość, którą należy zmierzyć; V to prędkość propagacji nośnika w powietrzu; t2D to czas podróży przewoźnika w obie strony. Na dokładność metody impulsowej wpływa dokładność pomiaru czasu, a na dokładność pomiaru czasu wpływa częstotliwość oscylacji. Jeżeli jako nośnik wykorzystywana jest fala ultradźwiękowa, a dokładność pomiaru odległości wynosi D≤1cm, wymagana jest dokładność testu czasowego t≤5,9×10-5s, czyli o ile częstotliwość oscylacji osiąga 1,7×104 Hz, jest to bardzo łatwe do wdrożenia.

Piezoelektryczne przetworniki ultradźwiękowe są wykonane poprzez wykorzystanie efektu piezoelektrycznego materiałów piezoelektrycznych. Spolaryzowany materiał piezoelektryczny ulega odkształceniu mechanicznemu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Nazywa się to odwrotnym efektem piezoelektrycznym. I odwrotnie, mechaniczne odkształcenie materiału piezoelektrycznego wytwarza również napięcie, które nazywa się dodatnim efektem piezoelektrycznym. Wykorzystując odwrotny efekt piezoelektryczny, napięcie o wysokiej częstotliwości można przekształcić w wibracje mechaniczne o wysokiej częstotliwości w celu wygenerowania fal ultradźwiękowych; Dodatni efekt piezoelektryczny można również wykorzystać do przekształcenia odbieranych wibracji ultradźwiękowych na sygnał elektryczny. Tak działa przetwornik ultradźwiękowy. Piezoelektryczne przetworniki ultradźwiękowe można postrzegać jako sieci czterozaciskowe z końcówkami elektrycznymi i mechanicznymi.

Wybór materiałów piezoelektrycznych płyty piezoelektryczne polega na tym, że materiały piezoelektryczne do wytwarzania przetworników ultradźwiękowych obejmują monokryształy piezoelektryczne, polikrystaliczną ceramikę piezoelektryczną, piezoelektryczne wysokie polimery i piezoelektryczne materiały kompozytowe. Wśród nich ceramika piezoelektryczna z cyrkoniianem ołowiu i tytanianem ma zalety wysokiej wytrzymałości mechanicznej, odporności na temperaturę i wilgoć, niski koszt i dobry efekt sprzęgania elektromechanicznego i jest szeroko stosowana w przetwornikach ultradźwiękowych. Przetwornik ultradźwiękowy w dalmierzu ultradźwiękowym wykorzystuje ceramikę piezoelektryczną z cyrkonianu ołowiu i tytanianu jako materiał wibracyjny.

Jeśli dwa wydłużone dysk piezoelektryczny, kryształ piezoelektryczny o tej samej grubości i spolaryzowany, są ze sobą połączone, wibracje zginające mogą być generowane, gdy przyłożone zostanie ekscytujące pole elektryczne, które spowoduje wydłużenie, a drugie skrócenie. Dwa połączone arkusze piezoceramiczne są spolaryzowane w przeciwnych kierunkach i połączone szeregowo z zasilaczem; pokazane są równoległe tryby połączenia dwóch arkuszy piezoceramicznych mających ten sam kierunek polaryzacji. W dwóch samoprzylepnych arkuszach piezoceramicznych pole elektryczne wzbudza tylko jeden z nich, powodując wibracje zginające. Podobnie, łączenie dwóch piezoelektrycznych arkuszy ceramicznych z cienką blachą lub łączenie arkusza ceramicznego z cienką blachą może również powodować zwiększenie grubości drgań zginających. Częstotliwość rezonansowa fr trybu drgań zginających i długość arkusza. Zależność pomiędzy całkowitą grubością t a arkuszem kleju wynosi fr = Nlttl2, gdzie Nlt jest stałą częstotliwości. Tryb drgań przy zginaniu na grubość ma zastosowanie w zakresie częstotliwości od 500 Hz do 100 kHz. Rozmiar takiego wibratora to zazwyczaj szerokość płyty ceramicznej, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5 t. Tryb drgań ścinających na grubość charakteryzuje się tym, że powierzchnia elektrody jest równoległa do kierunku polaryzacji, a arkusz piezoceramiczny poddawany jest drganiom ścinającym w kierunku grubości pod działaniem zmiennego pola elektrycznego. Tryb ścinania na grubość jest stosunkowo łatwy do wzbudzenia i jest stosowany głównie w zakresie wysokich częstotliwości od 10 do 60 kHz, który nie będzie szczegółowo opisywany. W dalmierzu ultradźwiękowym przetwornik piezoelektryczny emituje fale ultradźwiękowe, a amplituda drgań wibratora jest duża, dlatego preferowany jest tryb wibracji zginających. Jednocześnie, ponieważ impedancja akustyczna powietrza jest wyjątkowo niska, nie jest możliwe, aby ogólny materiał piezoelektryczny osiągnął z nim dopasowaną impedancję i dlatego należy to zrealizować za pomocą warstwy przejściowej. Stwierdzono, że piezoelektryczny element ceramiczny jest połączony z cienkim elementem metalowym, a Ultradźwięki przetwornika piezoelektrycznego służą jako źródło wzbudzenia do generowania trybu wibracji zginających, który ma dużą amplitudę i małą impedancję akustyczną i może osiągnąć dopasowanie impedancji akustycznej do powietrza. . Artykuł ten ma postać połączonej struktury z arkuszy piezoceramicznych i cienkich blach.

 Cienkie arkusze metalu mogą również działać jako folia ochronna chroniąca ceramikę piezoelektryczną i elektrody przed zużyciem i uszkodzeniem. Materiał można wybrać spośród stopu niklowo-chromowo-tytanowego o wysokiej stabilności. Ponieważ cieńszy metal jest wyższy, ciśnienie akustyczne jest transmitancją posuwisto-zwrotną, element metalowy jest zaprojektowany tak, aby był cienki, zwykle około 0,1 mm. Kształt i rozmiar wibratora w dalmierzu ultradźwiękowym wymaga, aby przesyłane pole ultradźwiękowe miało kształt wachlarza, biorąc pod uwagę zastosowanie wibratora prostokątnego jako źródła fali. Do drgań tłoka wykorzystywane jest źródło fali prostokątnej o długości L i szerokości W, a pole dźwiękowe fali podłużnej wypromieniowywane w ośrodku gazowym jest podobne do źródła dyskowego. Główną wiązką promieniowania jest czworokątna piramida, widok perspektywiczny kierunkowego listka głównego prostokątnego źródła fali. Dalmierz ultradźwiękowy emituje falę ultradźwiękową o częstotliwości 36 kHz dla pojedynczego zakresu częstotliwości, to znaczy częstotliwość rezonansowa piezoelektrycznego oscylatora ceramicznego wynosi 36 kHz. Częstotliwość ta nie tylko spełnia wymagania systemu w zakresie zasięgu detekcji, dokładności i czułości, ale także sprawia, że ​​przesyłane fale ultradźwiękowe mają większą skuteczność w propagacji powietrza. Poprzez obliczenie wzoru i korektę eksperymentalną rozmiar piezoelektrycznego ceramicznego wibratora prostokątnego określa się jako: L = 26,5 mm, W = 11,2 mm, przetwornik piezoelektryczny jest zaprojektowany jako zwarta struktura rezonansu częstotliwości podstawowej, a obudowa jest wykonana z tworzywa sztucznego konstrukcyjnego. Może mocować i chronić metalowe i ceramiczne arkusze samoprzylepne. Dwa kołki elektrody są odpowiednio połączone z elektrodą metalową i elementem ceramicznym poprzez przewody prowadzące, a sposób połączenia można lutować za pomocą lutowia lub kleju przewodzącego w niskiej temperaturze.