Parametry materiałów piezoelektrycznych i równania piezoelektryczne (3)

(11)Współczynnik jakości mechanicznej Qm

Kiedy Materiał piezoceramiczny PZT służy do drgań rezonansowych, konieczne jest pokonanie wewnętrznych strat tarcia mechanicznego (zużycie wewnętrzne), a w przypadku obciążenia konieczne jest pokonanie utraty obciążenia zewnętrznego. Współczynnik jakości mechanicznej Qmo (wartość mechaniczna Q bez obciążenia) jest powiązany z tymi stratami mechanicznymi. Oraz Qm (mechaniczna wartość Q pod obciążeniem). Definiuje się ją jako: Qm = energia mechaniczna zgromadzona przez wibrator piezoelektryczny w czasie rezonansu / energia mechaniczna utracona w okresie rezonansu. Odzwierciedla ilość energii zużywanej przez korpus piezoelektryczny w celu pokonania strat mechanicznych podczas wibracji. Większe Qm oznacza mniejsze straty energii mechanicznej. Istnienie Qm wskazuje również, że żaden materiał piezoelektryczny nie jest w stanie wykorzystać całej wejściowej energii mechanicznej na wyjściu. W rezonansie: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], gdzie ZC jest impedancją akustyczną wibratora piezoelektrycznego; Zl jest impedancją akustyczną obciążenia; Zb jest blokiem tłumiącym impedancję akustyczną przetwornika piezoelektrycznego. W przypadku przetwornika piezoelektrycznego jego Qm i Qe nie są stałe. Są one związane z częstotliwością roboczą, szerokością pasma częstotliwości, procesem produkcyjnym, konstrukcją i ośrodkiem promieniowania (obciążeniem) przetwornika piezoelektrycznego. W przetworniku piezoelektrycznym stosowanym w technologii detekcji ultradźwiękowej, gdy Qm jest zbyt duże, łatwo jest spowodować, że przebieg drgań generowany przez wibrator będzie zbyt długi (zjawisko dzwonienia), co spowoduje zniekształcenie przebiegu i niższą rozdzielczość. Podobnie Qe nie jest coraz większe. Wybór i określenie Qm i Qe należy podjąć w zależności od rzeczywistych potrzeb. Duża wartość Q oznacza, że ​​zużycie energii podczas efektu piezoelektrycznego jest małe. Może zmniejszyć ilość generowanego ciepła w przypadku zastosowań o dużej mocy i wysokiej częstotliwości lub zastosowań wykorzystujących czystą moc przesyłową, co jest zaletą. Jednak dla przetwornika do celów detekcji duża wartość Q jest niekorzystna ze względu na poszerzenie pasma częstotliwości, poprawę kształtu fali i zwiększenie rozdzielczości. Ponadto, ponieważ wartość Q zmienia się również w zależności od charakteru obciążenia (na przykład medium obciążające, przed którym stoi sonda zanurzeniowa i sonda kontaktowa, jest inne), podczas projektowania przetwornika należy również uwzględnić wpływ czynnika obciążającego (impedancja promieniowania).

(12) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego K
Jest to ważny parametr przy badaniu materiałów piezoelektrycznych z punktu widzenia energii. Jej definicja opiera się na dodatnim efekcie piezoelektrycznym, przy napięciu zewnętrznym E = 0 i wynosi: K2 = energia elektryczna zmagazynowana w korpusie piezoelektrycznym w idealnych warunkach. Całkowita energia mechaniczna wprowadzona do korpusu piezoelektrycznego w danych warunkach, czyli innymi słowy: K2 = przetworzona energia mechaniczna, która powoduje przemieszczanie się ładunku pomiędzy podłączonymi elektrodami / wejściowa energia mechaniczna, która następuje po przyłożonym naprężeniu, zewnętrzne naprężenie τ podczas odwrotnego efektu piezoelektrycznego = 0, tak: K2 = energia mechaniczna zmagazynowana w korpus piezoelektryczny w idealnych warunkach / całkowita energia elektryczna wprowadzona do korpusu piezoelektrycznego w idealnych warunkach lub: K2 = przetworzona energia elektryczna powodująca odkształcenie mechaniczne / wejściowa energia elektryczna pod ciśnieniem Tranzystory mają jednocześnie elastyczność, dielektryczność i piezoelektryczność i współpracują ze sobą. Z tego powodu konieczne jest wprowadzenie tej wielkości fizycznej, aby ujednolicić te charakterystyki, co wskazuje na stopień siły sprzężenia pomiędzy energią mechaniczną i energią elektryczną. W sensie fizycznym opisuje jedynie konwersję i nie jest to równa wydajność, a przetworzona energia może nie zostać całkowicie przekształcona w energię wypromieniowaną lub energię wyjściową (w tym zużycie wewnętrzne i sprzężenie zwrotne itp.). Oczywiście w pewnym sensie można też powiedzieć, że współczynnik sprzężenia elektromechanicznego K reprezentuje „sprawność” korpusu piezoelektrycznego przekształcającego energię elektryczną w energię sprężystą, czyli przekształcającą energię sprężystą w energię elektryczną. Zależy to głównie od rodzaju materiału piezoelektrycznego. Zależy to również od trybu drgań korpusu piezoelektrycznego, ale nie ma nic wspólnego z wartością częstotliwości rezonansowej przetwornika. Ponadto wartość K zależy również od budowy przetwornika piezoelektrycznego, warunków pracy oraz rozmiaru elektrody i położenia korpusu piezoelektrycznego. Możemy podzielić gęstość energii U (energię w jednostce objętości) materiałów piezoelektrycznych na trzy części, jedna to gęstość energii sprężystej, druga to gęstość energii pola elektrycznego (gęstość energii dielektrycznej), a druga to gęstość energii wymiany piezoelektrycznej Um (pomiń elementy energii cieplnej i magnetycznej).

Pierwsza część to mechaniczna część materiału – mechaniczna energia sprężystości, druga część elementy pierścienia piezoceramicznego to elektryczna część energii pola elektrycznego, a trzecia część to gęstość energii interakcji między energią sprężystą i energią dielektryczną. Całkowita energia wewnętrzna wynosi: U = Ue + Ud + 2Um. Biorąc pod uwagę, że energia piezoelektryczna jest energią wymienną, jest ona podwojona. Dlatego współczynnik sprzężenia elektromechanicznego możemy zdefiniować w inny sposób: K = Um / ( UeUd) 1/2. Lub: K = średnia geometryczna wartości energii piezoelektrycznej/energii sprężystej i energii dielektrycznej. Powodem wyboru średniej geometrycznej wartości energii sprężystej i energii dielektrycznej jest uwzględnienie nierównomiernego rozkładu energii każdej najmniejszej części kryształu piezoelektrycznego. W ten sposób możemy powiedzieć, że stosunek energii, która może zostać przetworzona piezoelektrycznie w jednostkowej objętości materiału piezoelektrycznego, jest współczynnikiem sprzężenia elektromechanicznego. Na przykład Ud i Ue nie można przekształcić piezoelektrycznie, ale nie jest to strata energii. W przypadku określonych materiałów, takich jak kwarc, straty energii są małe, a sprawność konwersji bardzo wysoka, ale współczynnik sprzężenia elektromechanicznego jest niższy niż w przypadku ceramiki piezoelektrycznej, podczas gdy sprawność konwersji ceramiki piezoelektrycznej nie jest wysoka. Duża część może być przetwarzana piezoelektrycznie, co oznacza, że ​​jej współczynnik sprzężenia elektromechanicznego jest wysoki. Stąd możemy rozpoznać różnicę między współczynnikiem sprzężenia elektromechanicznego a wydajnością. Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego jest bezwymiarowym stosunkiem energii, a jego maksymalna wartość wynosi 1, gdy K = 0, oznacza to, że nie zachodzi efekt piezoelektryczny. Typowe współczynniki sprzężenia elektromechanicznego są następujące:

(1) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego Kp dla drgań promieniowych (znany również jako współczynnik sprzężenia planarnego elektromechanicznego): odzwierciedla efekt elektromechanicznego sprzęgania cienkiego kryształu piezoelektrycznego w kształcie dysku, gdy jest on poddawany promieniowym wibracjom teleskopowym, pod warunkiem, że średnica płytki jest ≥3 razy większa od grubości płytki t . Kierunkiem jej grubości jest kierunek polaryzacji i kierunek przyłożonego pola elektrycznego.

(2) Drgania poprzeczne (drgania wzdłużne) współczynnik sprzężenia elektromechanicznego K31 odzwierciedla efekt sprzężenia elektromechanicznego, gdy długi kryształ piezoelektryczny w kształcie arkusza o kierunku grubości zgodnym z kierunkiem polaryzacji rozciąga się i kurczy w kierunku długości, pod warunkiem, że długość arkusza wynosi l≥3 razy. Szerokość i grubość płatków.

(3) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego K33 drgań podłużnych (drgania wzdłużne): odzwierciedla elektromechaniczny efekt sprzężenia drgań teleskopowych wzdłuż kierunku długości, gdy smukły kryształ piezoelektryczny w kształcie pręta jest spolaryzowany w kierunku grubości, a kierunek pola elektrycznego jest taki sam jak kierunek polaryzacji. Warunkiem jest szerokość i grubość pręta lub średnica o długości l≥3 razy.

(4) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego Kt drgań grubości: odzwierciedla efekt elektromechanicznego sprzężenia kryształów piezoelektrycznych w kształcie arkusza, spolaryzowanych w kierunku grubości, a kierunek pola elektrycznego jest również zgodny z kierunkiem grubości. Warunkiem jest, aby grubość wafla była mniejsza niż długość boku lub średnica wafla.

(5) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego drgań ścinających grubości K15: Odzwierciedla efekt elektromechanicznego sprzężenia drgań ścinających grubości kryształu piezoelektrycznego.

Podsumowując, możemy stwierdzić, że główne zasady doboru materiałów piezoelektrycznych do wykonania przetworników piezoelektrycznych w praktycznych zastosowaniach badań ultradźwiękowych są następujące: (1) Im większa wartość d33-d33, tym lepsza wydajność emisyjna. . Oczywiście przy wykonywaniu przetwornika nadawczego lepiej jest wybrać materiał o jak największej wartości d33; (2) Im większa wartość g33-g33, tym lepsza wydajność odbioru. Oczywiście, jeśli chcesz wykonać przetwornik odbiorczy, powinieneś wybrać w miarę możliwości materiał o dużej wartości g33; Kiedy trzeba zbudować przetwornik, który łączy w sobie zarówno transmisję, jak i odbiór, należy w ramach kompleksowego rozważenia wybrać wartość bliską lub tak dużą jak d33 i g33. (3) Impedancja akustyczna Z (Z = ρc) – Biorąc pod uwagę, że współczynnik odbicia i przepuszczalność fal ultradźwiękowych są powiązane z różnicą w impedancji akustycznej pomiędzy ośrodkami. im mniejsza różnica w impedancji akustycznej, tym wyższa przepuszczalność ultradźwiękowa. Aby jak najwięcej fal ultradźwiękowych z przetwornika piezoelektrycznego przedostało się do ośrodka badawczego, należy wybrać materiał piezoelektryczny, którego impedancja akustyczna jest jak najbardziej zbliżona do impedancji akustycznej ośrodka kontaktowego. Należy zauważyć, że istnienie pola elektrycznego będzie miało wpływ na pozorną prędkość dźwięku w materiale piezoelektrycznym, a nawet impedancja akustyczna materiału piezoelektrycznego ulegnie zmianie w stanie roboczym. (4) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego Kt drgań grubości. W technologii detekcji ultradźwiękowej najważniejszym zastosowaniem jest układ piezoelektryczny typu wibracji grubości, więc im większa wartość Kt, tym lepsza wydajność konwersji elektromechanicznej, przy czym czułość przetwornika jest wyższa. (5) Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego Kp drgań promieniowych. Kiedy chip piezoelektryczny wykonuje drgania grubościowe, jednocześnie występują drgania promieniowe, które zakłócają drgania grubościowe i powodują zniekształcenie kształtu fali, wzrost lub wzrost hałasu itp. Należy mieć nadzieję, że wartość Kp powinna być jak najmniejsza. Ogólnie rzecz biorąc, im większa wartość Kt/Kp, tym lepiej.

(6) Stała dielektryczna ε — Płytka piezoelektryczna tworzy kondensator po pokryciu elektrod, a jej pojemność jest zgodna z C = εA / t, to znaczy stała dielektryczna ε, względna powierzchnia A elektrod i odstęp między elektrodami (grubość płytki) t powiązane. W obwodzie mała pojemność oznacza dużą reaktancję pojemnościową, która nadaje się do stosowania jako element piezoelektryczny o wysokiej częstotliwości. W szczególności ultradźwiękowy przetwornik detekcyjny pracuje głównie w zakresie częstotliwości megahercowych, dlatego wymagane jest, aby ε materiału piezoelektrycznego było mniejsze. I odwrotnie, w przypadku stosowania do wytwarzania elementów piezoelektrycznych o niskiej częstotliwości (takich jak głośniki i mikrofony w zakresie audio), należy wybrać materiał o dużym ε, aby spełnić odpowiednie wymagania dotyczące dużej pojemności i niskiej reaktancji pojemnościowej. Należy zauważyć, że wartość ε jest również powiązana ze swobodą mechaniczną przetwornika, to znaczy stałe dielektryczne stanu mechanicznego zaciśnięcia i stanu swobodnego mechanicznego są różne, więc istnieją różnice między εe i ετ. Ponadto związek między ε a częstotliwością jest również bardziej wrażliwy, dlatego wartość ε należy faktycznie mierzyć w zależności od konkretnej częstotliwości roboczej. Oznacza to, że płytki piezoelektryczne o tej samej grubości mają wyższą częstotliwość rezonansową lub grubość płytki jest większa przy tej samej częstotliwości rezonansowej, co jest wygodne w przetwarzaniu i wytwarzaniu elementów o wysokiej częstotliwości. Dlatego należy wybrać materiał o większej wartości Nt.

(8) Ferroelektryczny punkt Curie Tc – kryształ ferroelektryczny posiada ferroelektryczność tylko w pewnym zakresie temperatur. Kiedy temperatura osiągnie ferroelektryczny punkt Curie, kryształ straci ferroelektryczność, a właściwości dielektryczne, piezoelektryczne, optyczne, elastyczne i termiczne staną się nieprawidłowe. Większość ferroelektryków ma tylko jeden punkt Curie, ale kilka ferroelektryków ma górny i dolny punkt Curie, a ferroelektryczność mają tylko w zakresie temperatur pomiędzy górnym i dolnym punktem Curie. Na przykład górna temperatura Curie tytanianu cyrkonianu ołowiu wynosi 115-120°C, a dolna temperatura Curie wynosi -5°C. Jeśli do tytanianu baru doda się 5% tytanianu wapnia, dolna temperatura Curie może osiągnąć -40°C. Ponadto niektóre ferroelektryki nie mają punktu Curie, jak na przykład niektóre specjalne polimerowe materiały piezoelektryczne (ponieważ po osiągnięciu określonej temperatury stopiły się lub nawet spaliły).

Należy zauważyć, że gdy rzeczywista temperatura nie osiągnęła punktu Curie, wydajność wielu przetworników piezoelektrycznych (takich jak Kt itp.) znacznie spadła lub pogorszyła się (np. Sonda tytanianu baru pogarsza się w temperaturze 60-70 ° C). Ponadto najwyższa temperatura, w której może ona pracować, nie jest równa wytrzymałości na nagłe zmiany temperatury, co jest spowodowane występowaniem anizotropii, w tym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Dlatego też w przypadku występowania wyższych temperatur np. przewodów elektrody spawalniczej oraz nagrzewania się podczas zalewania bloku absorpcyjnego w trakcie faktycznego użytkowania przetwornika i procesu jego wytwarzania, przy wyborze materiału piezoelektrycznego należy zwrócić szczególną uwagę na warunki pracy przetwornika.

(9) Współczynnik jakości mechanicznej Qm i współczynnik jakości elektrycznej Qe. W praktycznych zastosowaniach, jeśli wartości Qm i Qe są duże, wystąpi zjawisko „dzwonienia”, powodujące zniekształcenie kształtu fali i zmniejszoną rozdzielczość, co nie sprzyja wykryciu. Powstaje sytuacja. Dlatego też, wychodząc od potrzeb technologii detekcji, aby naprawdę odzwierciedlić charakterystykę sygnału echa i zapewnić, że rozdzielczość detekcji spełnia wymagania detekcji, generalnie nie oczekuje się, że Qm i Qe będą zbyt duże. Oprócz uwzględnienia przy wyborze materiałów podczas projektowania i produkcji przetworników, wartości częstotliwości, Qm i Qe należy odpowiednio zmniejszyć poprzez zwiększenie tłumienia konstrukcji i zmianę impedancji w obwodzie. Oczywiście zmniejszenie wartości Qm i Qe odbywa się kosztem czułości (zmniejszona moc wyjściowa). Dlatego należy wybrać odpowiednią wartość Q i dostosować ją do potrzeb konkretnego zastosowania (z doświadczenia wynika, że ​​rzeczywista wartość Q ultradźwiękowego przetwornika detekcyjnego nie powinna być większa niż 10).

(10) Właściwości starzenia materiałów piezoelektrycznych piezoceramiczna rura cylindra - Właściwości piezoelektryczne spolaryzowanych materiałów piezoelektrycznych ulegną nieodwracalnym zmianom w czasie. Zjawisko to nazywane jest „starzeniem” i obejmuje stałą dielektryczną, straty dielektryczne, stałe piezoelektryczne, współczynniki sprzężenia elektromechanicznego i elastyczność, które zwykle zmniejszają się z czasem, a stałe częstotliwości i mechaniczne wartości Q rosną z czasem. Zmiana tych parametrów jest w zasadzie liniowa z logarytmiczną wartością czasu. Powszechnie uważa się, że jest to jednostka dziesięciu lat, co nazywa się „dziesięcioletnim starzeniem”. Oczywiście wskaźnik ten odzwierciedla stabilność czasową materiałów piezoelektrycznych. Wykonując przetworniki piezoelektryczne, należy również zwrócić uwagę na wybór materiałów o lepszej stabilności czasowej. W przypadku konkretnego przetwornika ultradźwiękowego to zjawisko starzenia będzie się objawiać w szczególności czułością, zajęciem fali początkowej i poziomem szumu elektrycznego. Dlatego też należy zwrócić uwagę na wpływ starzenia na zakup i przechowywanie przetwornika.

(11) Stabilność termiczna materiałów piezoelektrycznych – odnosi się do właściwości piezoelektrycznych materiałów piezoelektrycznych, które są stałe lub nie ulegają degradacji po okresie ciągłej pracy w pewnym zakresie temperatur poniżej punktu Curie, szczególnie w środowiskach o wysokiej temperaturze. Przetwornik roboczy powinien być wybrany z materiałów o dobrej stabilności termicznej.
Powyższe 11 pozycji to główne rozważania i zasady wyboru przy wyborze materiałów piezoelektrycznych do produkcji ultradźwiękowych przetworników testowych. Powinniśmy kompleksowo rozważyć i odpowiednio dobrać pod kątem konkretnego zastosowania i potrzeb.