Parametrii materialelor piezoelectrice și ecuațiile piezoelectrice (3)

(11)Factor de calitate mecanic Qm

Când cel Materialul PZT piezoceramic este utilizat pentru vibrațiile de rezonanță, este necesar să se depășească pierderea de frecare mecanică internă (consum intern), iar atunci când există o sarcină, este necesar să se depășească pierderea de sarcină externă. Factorul de calitate mecanică Qmo (valoarea Q mecanică fără sarcină) este legat de aceste pierderi mecanice. Și Qm (valoarea Q mecanică sub sarcină). Se definește astfel: Qm = energia mecanică stocată de vibratorul piezoelectric la rezonanță / energia mecanică pierdută în perioada de rezonanță. Reflectă cantitatea de energie consumată de corpul piezoelectric pentru a depăși pierderile mecanice atunci când vibrează. Un Qm mai mare înseamnă mai puțină pierdere de energie mecanică. Existența lui Qm indică, de asemenea, că este imposibil ca orice material piezoelectric să folosească toată energia mecanică de intrare pentru ieșire. La rezonanță: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)], unde ZC este impedanța acustică a vibratorului piezoelectric; Zl este impedanța acustică a sarcinii; Zb este blocul de amortizare din impedanța acustică a traductorului piezoelectric. Pentru un traductor piezoelectric, Qm și Qe nu sunt constante. Acestea sunt legate de frecvența de funcționare, lățimea de bandă de frecvență, procesul de fabricație, structura și mediul de radiație (sarcina) traductorului piezoelectric. Pe traductorul piezoelectric utilizat în tehnologia de detectare cu ultrasunete, când Qm este prea mare, este ușor să faceți forma de undă de vibrație generată de vibrator prea lungă (fenomen de sonerie), rezultând distorsiunea formei de undă și rezoluția mai mică. În mod similar, Qe nu este din ce în ce mai mare. Alegerea și determinarea Qm și Qe ar trebui decisă în funcție de nevoile reale. O valoare Q mare înseamnă că consumul de energie este mic în timpul efectului piezoelectric. Poate reduce cantitatea de căldură generată în cazul aplicațiilor de mare putere și de înaltă frecvență sau al aplicațiilor cu putere de transmisie pură, ceea ce reprezintă un avantaj. Cu toate acestea, pentru un traductor în scopuri de detectare, o valoare Q mare este dezavantajoasă pentru lărgirea benzii de frecvență, îmbunătățirea formei de undă și creșterea rezoluției. În plus, deoarece valoarea Q se modifică și în funcție de natura sarcinii (de exemplu, mediul de sarcină cu care se confruntă sonda de imersie în apă și sonda metoda de contact este diferit), influența mediului de sarcină trebuie de asemenea luată în considerare atunci când se proiectează traductorul (impedanța de radiație).

(12) Coeficientul de cuplare electromecanic K
Acesta este un parametru important pentru examinarea materialelor piezoelectrice din perspectiva energiei. Definiția sa este în timpul efectului piezoelectric pozitiv, tensiunea externă E = 0 și există: K2 = energia electrică stocată în corpul piezoelectric în condiții ideale ideale . Energia mecanică totală introdusă în corpul piezoelectric în condițiile, sau cu alte cuvinte: K2 = energia mecanică convertită care face ca sarcina să se miște între electrozii conectați / energia mecanică de intrare care urmează stresului extern aplicat, efectul invers de intrare = energie mecanică aplicată. 0, da: K2 = energia mecanică stocată în corpul piezoelectric în condiții ideale / energia electrică totală introdusă în corpul piezoelectric în condiții ideale sau: K2 = energia electrică convertită care provoacă deformare mecanică / energia electrică de intrare sub presiune tranzistorii au elasticitate, dielectricitate și piezoelectricitate în același timp și funcționează împreună. Din acest motiv, este necesară introducerea acestei mărimi fizice pentru a vizualiza aceste caracteristici într-o manieră unificată, ceea ce indică gradul de rezistență de cuplare dintre energia mecanică și energia electrică. Într-un sens fizic, descrie doar conversia și nu este o eficiență egală, iar energia convertită poate să nu fie complet convertită în energie radiată sau de ieșire (inclusiv consumul intern și feedback-ul etc.). Desigur, într-un anumit sens, se poate spune și că coeficientul de cuplare electromecanic K reprezintă „eficiența” corpului piezoelectric de a converti energia electrică în energie elastică sau de a transforma energia elastică în energie electrică. Este determinată în principal de tipul de material piezoelectric. Depinde și de modul de vibrație al corpului piezoelectric, dar nu are nimic de-a face cu valoarea frecvenței de rezonanță a traductorului. În plus, valoarea K depinde și de structura traductorului piezoelectric, de condițiile de funcționare și de dimensiunea electrodului și poziția corpului piezoelectric. Putem împărți densitatea de energie U (energia într-o unitate de volum) a materialelor piezoelectrice în trei părți, una este densitatea energiei elastice, una este densitatea energiei câmpului electric (densitatea energiei dielectrice) și alta este densitatea energiei de schimb piezoelectrice Um (omiteți elementele de energie termică și magnetică).

Prima parte aici este partea mecanică a energiei elastice mecanice material, a doua parte a Componentele inele piezoceramice reprezintă energia electrică a câmpului electric, iar a treia parte este densitatea energetică a interacțiunii dintre energia elastică și energia dielectrică. Energia internă totală este: U = Ue + Ud + 2Um. Avand in vedere ca energia piezoelectrica este energie interschimbabila, aceasta este dublata. Prin urmare, putem defini coeficientul de cuplare electromecanic într-un alt mod: K = Um / ( UeUd) 1/2. Sau: K = Valoarea medie geometrică a energiei piezoelectrice / energie elastică și energie dielectrică. Motivul pentru alegerea valorii medii geometrice a energiei elastice și a energiei dielectrice este de a lua în considerare distribuția neuniformă a energiei a fiecărei părți minuscule a cristalului piezoelectric. În acest fel, putem spune că raportul dintre energia care poate fi convertită piezoelectric într-o unitate de volum de material piezoelectric este coeficientul de cuplare electromecanic. De exemplu, Ud și Ue nu pot fi convertite piezoelectric, dar nu este o pierdere de energie. Pentru materiale specifice, cum ar fi cuarțul, pierderea de energie este mică, iar eficiența de conversie este foarte mare, dar coeficientul său de cuplare electromecanic este mai mic decât cel al ceramicii piezoelectrice, în timp ce eficiența de conversie a ceramicii piezoelectrice nu este mare. O mare parte poate fi convertită piezoelectric, ceea ce înseamnă că coeficientul său de cuplare electromecanic este mare. De aici putem recunoaște diferența dintre coeficientul de cuplare electromecanic și eficiență. Coeficientul de cuplare electromecanica este un raport de energie, adimensional, iar valoarea sa maxima este 1, cand K = 0, inseamna ca nu are loc nici un efect piezoelectric. Coeficienții de cuplare electromecanic comuni sunt după cum urmează:

(1) Coeficientul de cuplare electromecanic Kp pentru vibrația radială (cunoscut și sub denumirea de coeficient de cuplare electromecanic planar): reflectă efectul de cuplare electromecanic al unui cristal piezoelectric subțire în formă de disc atunci când este supus vibrației radiale telescopice, cu condiția ca diametrul plachetei să fie ≥3 ori mai mare decât grosimea direcției de polarizare aplicată t, direcția de polarizare aplicată t este grosimea direcției de polarizare aplicată. câmp electric.

(2) Coeficientul de cuplare electromecanic K31 de vibrație transversală (vibrație de lungime transversală) reflectă efectul de cuplare electromecanic atunci când cristalul piezoelectric în formă de foaie lungă cu direcția grosimii ca direcția de polarizare se întinde și se contractă în direcția lungimii, cu condiția ca lungimea foii să fie de l≥3 ori. Lățimea și grosimea fulgilor.

(3) Coeficientul de cuplare electromecanic K33 al vibrației longitudinale (vibrația longitudinală): reflectă efectul de cuplare electromecanic al vibrației telescopice de-a lungul direcției lungimii atunci când cristalul piezoelectric subțire în formă de tijă este polarizat în direcția grosimii, iar direcția câmpului electric este aceeași cu direcția de polarizare. Condiția este o lățime și grosimea tijei sau diametrul cu o lungime l≥3 ori.

(4) Coeficientul de cuplare electromecanic Kt al vibrației grosimii: reflectă efectul de cuplare electromecanic al cristalelor piezoelectrice în formă de foaie polarizate în direcția grosimii, iar direcția câmpului electric este, de asemenea, în direcția grosimii. Condiția este ca grosimea plachetei să fie mai mică decât lungimea laterală sau diametrul plachetei.

(5) Coeficientul de cuplare electromecanic al vibrației de forfecare a grosimii K15: reflectă efectul de cuplare electromecanic al vibrației de forfecare a grosimii cristalului piezoelectric.

În rezumat, putem concluziona că principalele principii de selecție la selectarea materialelor piezoelectrice pentru a realiza traductoare piezoelectrice în aplicațiile practice ale testării cu ultrasunete sunt următoarele: (1) Cu cât valoarea d33--d33 este mai mare, cu atât performanța emisiei este mai bună. . Evident, atunci când se realizează un traductor de transmisie, este mai bine să alegeți un material cu o valoare d33 cât mai mare; (2) Cu cât valoarea g33--g33 este mai mare, cu atât performanța de recepție este mai bună. Evident, dacă vrei să realizezi un traductor de recepție, ar trebui să alegi cât mai mult un material cu o valoare mare de g33; atunci când trebuie să realizați un traductor care combină atât transmisia, cât și recepția, ca o considerație cuprinzătoare, ar trebui să alegeți o valoare apropiată și la fel de mare ca d33 și g33. (3) Impedanța acustică Z (Z = ρc)-Având în vedere că reflectanța și transmisia undelor ultrasonice sunt legate de diferența de impedanță acustică dintre mediu. diferența mai mică de impedanță acustică este transmisia ultrasonică mai mare. Pentru ca în mediul de testare să intre cât mai multe unde ultrasonice de la traductorul piezoelectric, trebuie selectat un material piezoelectric a cărui impedanță acustică este cât mai apropiată de impedanța acustică a mediului de contact. Trebuie remarcat faptul că existența câmpului electric va afecta viteza aparentă a sunetului în materialul piezoelectric și chiar și impedanța acustică a materialului piezoelectric se va modifica în starea de lucru. (4) Coeficientul de cuplare electromecanic Kt al vibrației grosimii-În tehnologia de detectare cu ultrasunete, cea mai importantă aplicație este cipul piezoelectric de tip vibrație de grosime, astfel încât cu cât valoarea Kt este mai mare, cu atât performanța de conversie electromecanică este mai bună, ceea ce sensibilitatea traductorului este mai mare. (5) Coeficientul de cuplare electromecanic Kp de vibrație radială - Când cipul piezoelectric efectuează vibrații de grosime, există și vibrație radială în același timp, care va interfera cu vibrația grosimii și va cauza distorsiuni ale formei de undă, creștere sau creștere a zgomotului etc. Se speră ca valoarea Kp să fie cât mai mică posibil. În general, cu cât valoarea Kt / Kp este mai mare, cu atât mai bine.

(6) Constanta dielectrică ε — Placa piezoelectrică formează un condensator după ce electrozii sunt acoperiți, iar capacitatea sa este conformă cu C = εA / t, adică constanta dielectrică ε, aria relativă A a electrozilor și distanța dintre electrozi (grosimea plachetei) t. În circuit, o capacitate mică înseamnă o reactanță capacitivă mare, care este potrivită pentru utilizare ca element piezoelectric de înaltă frecvență. În special, traductorul de detectare cu ultrasunete funcționează în cea mai mare parte în intervalul de frecvență megaherți, deci este necesar ca ε al materialului piezoelectric să fie mai mic. În schimb, atunci când este utilizat pentru a face componente piezoelectrice de joasă frecvență (cum ar fi difuzoarele și microfoanele în domeniul audio), un material cu un ε mare ar trebui să fie selectat pentru a îndeplini cerințele de potrivire de capacitate mare și reactanță capacitivă scăzută. Trebuie remarcat faptul că valoarea lui ε este legată și de libertatea mecanică a traductorului, adică constantele dielectrice ale stării mecanice de strângere și ale stării mecanice libere sunt diferite, deci există diferențe între εe și ετ. În plus, relația dintre ε și frecvență este, de asemenea, mai sensibilă, astfel încât valoarea ε ar trebui măsurată de fapt în funcție de frecvența de operare specifică. Înseamnă că plachetele piezoelectrice de aceeași grosime au o frecvență de rezonanță mai mare sau grosimea plachetei este mai mare la aceeași frecvență de rezonanță, ceea ce este convenabil pentru procesarea și fabricarea componentelor de înaltă frecvență. Prin urmare, ar trebui selectat un material cu o valoare Nt mai mare.

(8) Punctul Curie feroelectric Tc - Cristalul feroelectric are doar feroelectricitate într-un anumit interval de temperatură. Când temperatura atinge punctul curie feroelectric, cristalul va pierde feroelectricitatea, iar proprietățile dielectrice, piezoelectrice, optice, elastice și termice sunt toate anormale. Majoritatea feroelectricilor au un singur punct curie, dar câteva feroelectrice au puncte curie superioare și inferioare și au feroelectricitate numai în intervalul de temperatură dintre punctele curie superioare și inferioare. De exemplu, punctul de curie superior al titanatului de zirconat de plumb este de 115-120 ° C, iar punctul de curie inferior este de -5 ° C. Dacă se adaugă titanat de calciu 5% la titanat de bariu, punctul de curie inferior poate ajunge la -40 ° C. În plus, unii feroelectrici nu au nici un punct de curie, cum ar fi unele materiale piezoelectrice polimer speciale (pentru că s-au topit sau chiar s-au ars când ajung la o anumită temperatură).

Trebuie remarcat faptul că atunci când temperatura reală nu a atins punctul curie, performanța multor traductoare piezoelectrice (cum ar fi Kt etc.) a scăzut sau s-a deteriorat semnificativ (de exemplu, sonda de titanat de bariu se deteriorează la 60-70 ° C). coeficientul de dilatare termică. Prin urmare, în cazul temperaturilor mai ridicate, cum ar fi cablurile electrodului de sudură și încălzirea în timpul turnării blocului de absorbție în timpul utilizării efective a traductorului și al procesului de fabricare a traductorului, atunci când se selectează un material piezoelectric, trebuie acordată o atenție specială condițiilor de funcționare ale traductorului.

(9) Factorul de calitate mecanic Qm și factorul de calitate electric Qe-În aplicațiile practice, dacă valorile Qm și Qe sunt mari, va exista un fenomen de „sunet”, care va duce la distorsiunea formei de undă și rezoluția redusă, care nu sunt propice detectării. Apare situația. Prin urmare, pornind de la nevoile tehnologiei de detectare, pentru a reflecta cu adevărat caracteristicile semnalului de ecou și pentru a se asigura că rezoluția de detecție îndeplinește cerințele de detecție, în general nu se așteaptă ca Qm și Qe să fie prea mari. Pe lângă luarea în considerare la selectarea materialelor, la proiectarea și fabricarea traductoarelor, valorile Frecvenței, Qm și Qe trebuie reduse în mod corespunzător prin creșterea amortizării structurii și modificarea impedanței circuitului. Desigur, reducerea valorilor Qm și Qe se face în detrimentul sensibilității (putere de ieșire redusă). Prin urmare, valoarea Q corespunzătoare trebuie selectată și ajustată în funcție de nevoile aplicației reale (conform experienței, valoarea Q reală a traductorului de detectare cu ultrasunete nu trebuie să fie mai mare de 10).

(10) Performanța la îmbătrânire a materialelor piezoelectrice tub cilindric piezoceramic - Proprietățile piezoelectrice ale materialelor piezoelectrice polarizate vor avea modificări ireversibile în timp. Acest fenomen se numește „îmbătrânire”, cum ar fi constanta dielectrică, pierderile dielectrice, constantele piezoelectrice, coeficienții de cuplare electromecanic și elasticitatea de obicei scad în timp, iar constantele de frecvență și valorile Q mecanice cresc în timp. Modificarea acestor parametri este practic liniară cu valoarea logaritmică a timpului. În general, este considerată ca o unitate de zece ani, care se numește „îmbătrânire în zece ani”. Evident, acest indice reflectă stabilitatea în timp a materialelor piezoelectrice. Atunci când se realizează traductoare piezoelectrice, ar trebui să se acorde atenție selecției materialelor cu o stabilitate în timp mai bună. Pe un traductor cu ultrasunete specific, acest fenomen de îmbătrânire se va manifesta în mod specific prin sensibilitate, ocuparea inițială a undelor și nivelul de zgomot electric. Prin urmare, trebuie acordată atenție și efectului îmbătrânirii asupra achiziției și depozitării traductorului.

(11) Stabilitatea termică a materialelor piezoelectrice-Acest lucru se referă la proprietățile piezoelectrice ale materialelor piezoelectrice care sunt constante sau nedegradate după o perioadă de funcționare continuă într-un anumit interval de temperatură sub punctul curie, în special pentru medii cu temperaturi ridicate. Traductorul de lucru ar trebui să fie selectat dintre materiale cu stabilitate termică bună.
Cele 11 articole de mai sus sunt principalele considerații și principii de selecție atunci când alegem materiale piezoelectrice pentru a face traductoare de testare cu ultrasunete. Ar trebui să luăm în considerare și să selectăm în mod cuprinzător în funcție de aplicația și nevoile specifice.