Aplicarea ceramicii piezoelectrice utilizate în traductorul de distanță cu ultrasunete

În ultimii 20 de ani,Costul cristalului piezoelectric s-a dezvoltat rapid în țară și în străinătate. Datorită avantajelor lor de producție simplă, cost redus și stabilitate bună, acestea au fost utilizate pe scară largă în domeniile electronicii, luminii, căldurii și acusticii și au o gamă largă. Traductoarele cu ultrasunete sunt fabricate din ceramică piezoelectrică care poate produce unde ultrasonice cu o directivitate bună. Sunt ideale pentru măsurarea parametrilor precum viteza și distanța și pot funcționa stabil și fiabil în condițiile dure de mediu.

Despre dispozitivul cu ultrasunete, ultrasunetul se referă la undele sonore cu o frecvență mai mare de 20 kHz, care este o undă mecanică. Datorită direcționalității bune și toleranței față de mediu, este utilizat în tehnologia de măsurare a cuplului. Dispozitivul de măsurare cu ultrasunete este o tehnică de măsurare fără contact. Metodele includ în principal metoda pulsului, metoda fază și metoda de conversie a frecvenței. Dispozitivul cu ultrasunete folosește în principal metoda pulsului. Metoda pulsului determină direct valoarea distanței prin măsurarea timpului în care semnalul pulsului purtător se deplasează înainte și înapoi pe distanța care trebuie măsurată. Formula de generarea de energie a plăcilor piezoelectrice este D=Vt2D/2, unde D este distanța de măsurat; V este viteza de propagare a purtătorului în aer; t2D este timpul de călătorie dus-întors. Precizia metodei pulsului este afectată de precizia măsurării timpului, iar acuratețea măsurării timpului este afectată de frecvența de oscilație. Dacă unda ultrasonică este utilizată ca purtător și precizia de măsurare a distanței este D≤1cm, este necesar ca precizia testului de timp să fie t≤5,9×10-5s, adică atâta timp cât frecvența de oscilație atinge 1,7×104 Hz, acest lucru este foarte ușor de implementat.

Traductoarele piezoelectrice cu ultrasunete sunt realizate folosind efectul piezoelectric al materialelor piezoelectrice. Materialul piezoelectric polarizat suferă o deformare mecanică sub acțiunea unui câmp electric aplicat. Acesta se numește efect piezoelectric invers. În schimb, deformarea mecanică a materialului piezoelectric produce și o tensiune, care se numește efect piezoelectric pozitiv. Prin utilizarea efectului piezoelectric invers, tensiunea de înaltă frecvență poate fi convertită în vibrații mecanice de înaltă frecvență pentru a genera unde ultrasonice; efectul piezoelectric pozitiv poate fi folosit și pentru a converti vibrația ultrasonică recepționată într-un semnal electric. Așa funcționează traductorul cu ultrasunete. Traductoarele piezoelectrice cu ultrasunete pot fi privite ca rețele cu patru terminale cu capete electrice și mecanice.

Alegerea materialelor piezoelectrice plăcile piezoelectrice este că materialele piezoelectrice pentru realizarea traductoarelor cu ultrasunete includ monocristale piezoelectrice, ceramică piezoelectrică policristalină, polimeri înalți piezoelectrici și materiale compozite piezoelectrice. Printre acestea, ceramica piezoelectrică cu titanat de zirconat de plumb are avantajele rezistenței mecanice ridicate, rezistenței la temperatură și umiditate, costuri reduse și efect de cuplare electromecanic bun și au fost utilizate pe scară largă în traductoarele cu ultrasunete. Traductorul cu ultrasunete din telemetrul ultrasonic folosește ceramica piezoelectrică de titanat de zirconat de plumb ca material vibrator.

Dacă două alungite Disc piezoelectric cristal piezoelectric de aceeași grosime și polarizat sunt lipite între ele, vibrația de încovoiere poate fi generată atunci când se aplică un câmp electric excitant pentru a determina alungirea, iar celălalt să fie scurtat. Cele două foi de ceramică piezo care sunt legate sunt polarizate în direcții opuse și sunt conectate în serie la sursa de alimentare; sunt prezentate modurile de conectare paralelă ale celor două foi piezoceramice având aceeași direcție de polarizare. În două foi adezive piezo-ceramice, câmpul electric excită doar una dintre ele pentru a produce vibrații de îndoire. În mod similar, lipirea a două foi ceramice piezoelectrice de o foaie de metal subțire sau lipirea unei foi de ceramică de o foaie de metal subțire poate produce, de asemenea, o grosime a vibrațiilor de îndoire. Frecvența de rezonanță fr a modului de vibrație la îndoire și lungimea tablei .Relația dintre grosimea totală t și foaia adeziv este fr = Nlttl2, unde Nlt este o constantă de frecvență. Modul de vibrație de îndoire în grosime este aplicabil pe un interval de frecvență de la 500 Hz la 100 kHz. Dimensiunea unui astfel de vibrator este, în general, lățimea foii ceramice, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5t. Modul de vibrație de forfecare în grosime este caracterizat prin aceea că suprafața electrodului este paralelă cu direcția de polarizare, iar foaia ceramică piezo este supusă vibrațiilor de forfecare în direcția grosimii sub acțiunea unui câmp electric alternativ. Modul de forfecare a grosimii este relativ ușor de excitat și este utilizat în principal în intervalul de frecvență înaltă de la 10 la 60 kHz, care nu va fi descris în detaliu. În telemetrul cu ultrasunete, traductorul piezoelectric emite unde ultrasonice, iar amplitudinea vibrației vibratorului este mare, astfel încât modul de vibrație de îndoire este de preferat. În același timp, deoarece impedanța acustică a aerului este extrem de scăzută, este imposibil ca un material piezoelectric general să realizeze o potrivire a impedanței cu acesta și, prin urmare, trebuie realizat prin intermediul unui strat de tranziție. Se constată că piesa ceramică piezoelectrică este lipită de piesa metalică subțire, iar Transductorul piezoelectric cu ultrasunete este folosit ca sursă de excitație pentru a genera un mod de vibrație de încovoiere, care are o amplitudine mare și o impedanță acustică mică și poate realiza o potrivire a impedanței acustice cu aerul. . Acest articol este sub forma unei structuri lipite din foi piezoceramice și foi de metal subțiri.

 Foile subțiri de metal pot acționa și ca o peliculă de protecție pentru a proteja ceramica piezoelectrică și electrozii de uzură și deteriorare. Materialul poate fi selectat din aliaj de nichel crom titan de înaltă stabilitate. Deoarece metalul mai subțire este mai mare, presiunea sonoră este transmisie alternativă, piesa de metal este proiectată să fie subțire, în general aproximativ 0,1 mm. Forma și dimensiunea vibratorului din telemetrul ultrasonic necesită ca câmpul ultrasonic transmis să fie în formă de evantai, luând în considerare utilizarea unui vibrator dreptunghiular ca sursă de undă. O sursă de undă dreptunghiulară de lungime L și lățime W este utilizată pentru vibrația pistonului, iar câmpul sonor al undei longitudinale este radiat în mediul gazos este similar cu sursa discului. Fasciculul principal al radiației este o piramidă patruunghiulară, este o vedere în perspectivă a lobului principal direcțional al sursei de undă dreptunghiulară. Telemetrul cu ultrasunete emite o undă ultrasonică de 36 kHz pentru o singură frecvență, adică frecvența de rezonanță a oscilatorului ceramic piezoelectric este de 36 kHz. Această frecvență nu numai că satisface cerințele sistemului pentru raza de detectare, acuratețe și sensibilitate, dar face ca undele ultrasonice transmise să aibă o eficiență mai mare în propagarea aerului. Prin calculul formulei și corecția experimentală, dimensiunea vibratorului dreptunghiular piezoelectric ceramic este determinată astfel: L = 26,5 mm, W = 11,2 mm, traductorul piezoelectric este proiectat ca o structură apropiată de rezonanță a frecvenței fundamentale, iar carcasa este realizată din plastic de inginerie. Poate fixa și proteja foile adezive metalice și ceramice. Cei doi pini de electrod sunt conectați, respectiv, la electrodul metalului și a piesei ceramice prin firele de plumb, iar modul de conectare poate fi lipit prin lipire sau lipici conductiv la temperatură joasă.