Zasada działania piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego

Przegląd piezoelektryczne przetworniki ceramiczne

Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny składa się z piezoelektrycznego kryształu ceramicznego oraz dwóch metali lekkich i ciężkich. Po obróbce polaryzacyjnej w określonej temperaturze ma efekt piezoelektryczny. Piezoelektryczne ceramiczne przetworniki ultradźwiękowe od dawna weszły w dziedzinę badań ludzi. Jest łatwy w produkcji, ma dobrą sterowalność, wysoką czułość i dobre sprzężenie elektromechaniczne. Przetworniki  opracowywane  w oparciu o ceramikę piezoelektryczną obejmują ultradźwiękowe przetworniki mocy i ultradźwiękowe przetworniki detekcyjne.

Technologia ultradźwiękowa jest szeroko stosowaną technologią badań nieniszczących. Opiera się na teorii akustycznej i jest stale stosowana w dziedzinie elektroniki, komunikacji, medycyny, biologii i fizyki. W nowoczesnej technologii detekcyjnej coraz większe zainteresowanie zyskują przetworniki opracowane w technologii ultradźwiękowej ze względu na ich wysoką czułość i dużą dokładność.

Powszechnie stosowanymi przetwornikami w procesie kontroli są przetworniki piezoelektryczne, przetworniki magnetyczne, przetworniki elektromagnetyczne i akustyczne oraz przetworniki laserowe. Najczęściej stosowany jest przetwornik piezoelektryczny, którego głównym elementem jest chip piezoelektryczny. Płytka piezoelektryczna może zostać odkształcona pod wpływem ciśnienia, co prowadzi do polaryzacji samego płytki, a na powierzchni płytki pojawiają się związane ładunki dodatnie i ujemne. Efekt ten jest efektem piezoelektrycznym. Co więcej, efekt piezoelektryczny jest odwracalny, to znaczy odkształca się pod wpływem napięcia na płytkę. W procesie wykrywania czujnik ultradźwiękowy może generować fale ultradźwiękowe, wykorzystując odwrotny efekt piezoelektryczny i wykorzystywać efekt piezoelektryczny, aby osiągnąć cel odbioru fal ultradźwiękowych. Piezoelektryczne ceramiczne przetworniki ultradźwiękowe od dawna weszły w dziedzinę badań ludzi. Jest łatwy w produkcji, ma dobrą sterowalność, wysoką czułość i dobre sprzężenie elektromechaniczne. Przetworniki opracowane na bazie ceramiki piezoelektrycznej obejmują ultradźwiękowe przetworniki mocy i ultradźwiękowe przetworniki detekcyjne.

Zasada działania piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego

Zasada działania piezoelektrycznych przetworników ceramicznych polega na tym, że po przyłożeniu ciśnienia lub napięcia do ceramiki pzt  na obu końcach ceramiki generowane są ładunki o przeciwnych biegunach, a w obwodzie generowany jest prąd. Efekt ten nazywany jest efektem piezoelektrycznym. Jeżeli przetwornik wykonany z tej ceramiki piezoelektrycznej zostanie umieszczony w wodzie, to pod wpływem fal dźwiękowych na obu końcach przetwornika, który jest odbiornikiem fali akustycznej, indukują się ładunki. Ponadto efekt piezoelektryczny jest odwracalny. Jeśli do piezoelektrycznej płyty ceramicznej zostanie przyłożone zmienne pole elektryczne, płyta piezoceramiczna będzie od czasu do czasu stawała się cieńsza i grubsza, a jednocześnie będzie generować wibracje i emitować fale dźwiękowe. Zatem problem przetwornika ultradźwiękowego został rozwiązany.

Istnieją dwa rodzaje elementy pierścieni piezoceramicznych  z metalu netostrykcyjnego i ceramiki piezoelektrycznej. Celem tego artykułu jest zaprojektowanie przetworników do mechanicznej obróbki ultradźwiękowej dużej mocy, dlatego omówiono wyłącznie piezoelektryczne przetworniki ceramiczne. Jako rodzaj sieci przesyłu energii, piezoelektryczny przetwornik ceramiczny ma problem z wydajnością konwersji energii. Sprawność konwersji związana jest z doborem materiału przetwornika, postacią drgań, strukturą układu drgań mechanicznych (wraz z mechanizmem podporowym) oraz częstotliwością pracy. Dlatego przy projektowaniu przetworników ultradźwiękowych należy wziąć pod uwagę różne czynniki, takie jak impedancja akustyczna, charakterystyka częstotliwościowa, dopasowanie impedancji, struktura akustyczna, tryb wibracji i materiały do ​​konwersji, a także sposób projektowania i koordynowania tych czynników w celu osiągnięcia najlepszej wartości konwersji elektroakustycznej.

Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny to elektroniczny materiał ceramiczny o właściwościach piezoelektrycznych. Główną różnicą w stosunku do typowego piezoelektrycznego kryształu kwarcu, który nie zawiera składników ferroelektrycznych, jest to, że fazami krystalicznym stanowiącymi jego główne składniki są ziarna kryształu ferroelektrycznego. Ponieważ ceramika piezoelektryczna jest agregatem polikrystalicznym o losowo zorientowanych ziarnach, wektor spontanicznej polaryzacji każdego ziarna ferroelektrycznego jest również zdezorientowany. Aby piezoelektryczna ceramika s wykazywała właściwości makropiezoelektryczne, ceramika piezoelektryczna musi być po wypaleniu spolaryzowana w silnym polu elektrycznym prądu stałego, a powierzchnia czołowa jest poddawana działaniu wielu elektrod, tak aby wektor polaryzacji pierwotnej orientacji zaburzenia był preferencyjnie zorientowany w kierunku pola elektrycznego. Po obróbce polaryzacyjnej ceramika piezoelektryczna utrzyma pewną makroszczątkową intensywność polaryzacji, dzięki czemu ceramika będzie miała określone ciśnienie.

Zastosowanie piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego

Ze względu na bezkontaktowe zalety technologii ultradźwiękowej spróbuj aplikować piezoelektryczne ceramiczne przetworniki ultradźwiękowe do układu detekcji stężenia cieczy. Układ w układzie wykorzystuje układ FPGA z serii Spartan 3E. Piezoelektryczny przetwornik ceramiczny odgrywa ważną rolę w przesyłaniu i odbieraniu sygnałów. Sygnał ultradźwiękowy o określonej częstotliwości i amplitudzie generowany przez przetwornik jest wprowadzany do cieczy poprzez obwód nadawczy. Po wytłumieniu sygnału przez ciecz, z przetwornika odbiorczego można odebrać sygnał zawierający informację o stężeniu cieczy. Dzięki analizie metody tłumienia dźwięku skutecznie uzyskuje się przybliżone stężenie cieczy. Projekt oprogramowania systemu obejmuje program główny, program pomiarów ultradźwiękowych, program kontroli impulsów, program nadajnika-odbiornika impulsów, program kontroli pozyskiwania ADC oraz program zegara i alarmu.

W eksperymencie można najpierw zmierzyć ciecz statyczną, zastosować metodę tłumienia ultradźwiękowego do analizy sygnału zebranego na końcu odbiorczym, obwiednię przetwarzać, a informację o stężeniu uzyskać poprzez połączenie ścieżki propagacji sygnału (średnicy rury). Następnie przeprowadzany jest dynamiczny pomiar cieczy dynamicznej, a ścieżka propagacji sygnału musi uwzględniać prędkość przepływu cieczy, aby obliczyć przybliżoną ścieżkę.