Applicering av piezoelektrisk keramik som används i ultraljudsavståndsgivare

Under de senaste 20 åren,piezoelektriska kristallkostnader har utvecklats snabbt hemma och utomlands. På grund av deras fördelar med enkel produktion, låg kostnad och god stabilitet, har de använts flitigt inom områdena elektronik, ljus, värme och akustik och har ett brett utbud. Ultraljudsgivare är gjorda av piezoelektrisk keramik som kan producera ultraljudsvågor med god riktning. De är idealiska för att mäta parametrar som hastighet och avstånd, och kan arbeta stabilt och tillförlitligt under de tuffa miljöförhållandena.

Om ultraljudsavståndsanordningen avser ultraljud ljudvågor med en frekvens högre än 20 kHz, vilket är en mekanisk våg. På grund av sin goda riktningsförmåga och tolerans mot omgivningen används den i vridmomentmätningsteknik. Ultraljudsavståndsmätare är en beröringsfri avståndsmätningsteknik. Metoderna innefattar främst pulsmetod, fasmetod och frekvensomvandlingsmetod. Ultraljudsavståndsmätare använder huvudsakligen pulsmetoden. Pulsmetoden bestämmer direkt avståndsvärdet genom att mäta den tid under vilken bärarpulssignalen färdas fram och tillbaka över avståndet som ska mätas. Formeln för piezoplattans energigenerering är D=Vt2D/2, där D är avståndet som ska mätas; V är utbredningshastigheten för bäraren i luft; t2D är transportörens tid för tur och retur. Pulsmetodens noggrannhet påverkas av noggrannheten i tidsmätningen, och noggrannheten i tidsmätningen påverkas av oscillationsfrekvensen. Om ultraljudsvågen används som bärare och avståndsmätningsnoggrannheten är D≤1cm, krävs att tidstestnoggrannheten är t≤5,9×10-5s, det vill säga så länge som oscillationsfrekvensen når 1,7×104 Hz, är detta mycket enkelt att implementera.

Piezoelektriska ultraljudsgivare tillverkas med hjälp av den piezoelektriska effekten av piezoelektriska material. Det polariserade piezoelektriska materialet genomgår mekanisk deformation under inverkan av ett pålagt elektriskt fält. Detta kallas den omvända piezoelektriska effekten. Omvänt ger den mekaniska deformationen av det piezoelektriska materialet också en spänning, som kallas den positiva piezoelektriska effekten. Genom att använda den omvända piezoelektriska effekten kan högfrekvent spänning omvandlas till högfrekvent mekanisk vibration för att generera ultraljudsvågor; den positiva piezoelektriska effekten kan också användas för att omvandla den mottagna ultraljudsvibrationen till en elektrisk signal. Så här fungerar ultraljudsgivaren. Piezoelektriska ultraljudsgivare kan ses som nätverk med fyra terminaler med elektriska och mekaniska ändar.

Valet av piezoelektriska material piezoelektriska plattor är att piezoelektriska material för tillverkning av ultraljudsgivare inkluderar piezoelektriska enkristaller, polykristallin piezoelektrisk keramik, piezoelektriska högpolymerer och piezoelektriska kompositmaterial. Bland dem har blyzirkonattitanat piezoelektrisk keramik fördelarna med hög mekanisk styrka, temperatur- och fuktmotstånd, låg kostnad och god elektromekanisk kopplingseffekt och har använts i stor utsträckning i ultraljudsgivare. Ultraljudsgivaren i ultraljudsavståndsmätaren använder blyzirkonattitanat piezoelektrisk keram som vibratormaterial.

Om två långsträckta piezoelektrisk skiva piezoelektrisk kristall av samma tjocklek och polariserade är sammanbundna, böjvibrationer kan genereras när ett exciterande elektriskt fält appliceras för att göra att den förlängs och den andra förkortas. De två piezokeramiska arken som är sammanfogade är polariserade i motsatta riktningar och är seriekopplade till strömförsörjningen; de parallella anslutningssätten för de två piezokeramiska skivorna med samma polarisationsriktning visas. I två piezokeramiska självhäftande ark exciterar det elektriska fältet bara en av dem för att producera böjningsvibrationer. På liknande sätt kan bindning av två piezoelektriska keramiska skivor till en tunn metallplåt, eller bindning av en keramisk plåt till en tunn metallplåt, också ge en böjningsvibrationstjocklek. Resonansfrekvensen fr för böjningsvibrationsläget och längden på arket . Förhållandet mellan den totala tjockleken t och det vidhäftande arket är fr = Nlttl2, där Nlt är en frekvenskonstant. Vibrationsläget för tjockleksböjning är tillämpligt på ett frekvensområde på 500 Hz till 100 kHz. Storleken på en sådan vibrator är i allmänhet bredden på den keramiska skivan ,l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5t. Tjockleksskjuvvibrationsläget kännetecknas av att elektrodytan är parallell med polarisationsriktningen, och det piezokeramiska arket utsätts för skjuvvibrationer i tjockleksriktningen under inverkan av ett växlande elektriskt fält. Tjockleksskjuvningsläget är relativt lätt att excitera och används huvudsakligen i högfrekvensområdet 10 till 60 kHz, vilket inte kommer att beskrivas i detalj. I ultraljudsavståndsmätaren avger den piezoelektriska givaren ultraljudsvågor, och amplituden på vibratorvibrationen är stor, så böjningsvibrationsläget är att föredra. Samtidigt, eftersom den akustiska impedansen för luft är extremt låg, är det omöjligt för ett allmänt piezoelektriskt material att uppnå impedansmatchning med det, och därför måste det realiseras med hjälp av ett övergångsskikt. Det har visat sig att det piezoelektriska keramiska stycket är bundet till det tunna metallstycket, och piezoelektrisk omvandlarultraljud används som excitationskälla för att generera ett böjningsvibrationsläge, som har en stor amplitud och en liten akustisk impedans, och kan uppnå akustisk impedansmatchning med luft. . Denna artikel är i form av en bunden struktur av piezokeramiska skivor och tunna metallplåtar.

 De tunna metallplåtarna kan också fungera som en skyddande film för att skydda den piezoelektriska keramen och elektroderna från slitage och skador. Materialet kan väljas från högstabil nickel-krom titanlegering. Eftersom den tunnare metallen är desto högre, ljudtrycket är fram- och återgående transmittans, är metallstycket utformat för att vara tunt, vanligtvis cirka 0,1 mm. Formen och storleken på vibratorn i ultraljudsavståndsmätaren kräver att det överförda ultraljudsfältet är solfjäderformat, med tanke på användningen av en rektangulär vibrator som vågkälla. En rektangulär vågkälla med längden L och bredd W används för kolvvibrationer, och det längsgående vågljudfältet som utstrålas i gasmediet liknar skivkällan. Strålningens huvudstråle är en fyrkantig pyramid, är en perspektivvy av den riktade huvudloben för den rektangulära vågkällan. Ultraljudsavståndsmätaren avger en 36 kHz ultraljudsvåg för enkelfrekvensavstånd, det vill säga resonansfrekvensen för den piezoelektriska keramiska oscillatorn är 36 kHz. Denna frekvens uppfyller inte bara systemets krav på detekteringsområde, noggrannhet och känslighet, utan gör också att de överförda ultraljudsvågorna har högre effektivitet i luftutbredning. Genom formelberäkningen och experimentell korrigering bestäms storleken på den piezoelektriska keramiska rektangulära vibratorn som: L=26,5 mm, B=11,2 mm, den piezoelektriska givaren är utformad som en nära struktur av grundläggande frekvensresonans, och skalet är tillverkat av teknisk plast. Det kan fixera och skydda metall och keramiska limplåtar. De två elektrodstiften är anslutna till elektroden av metallen respektive den keramiska delen genom ledningstrådarna, och anslutningssättet kan lödas med löd eller lågtemperaturkonduktivt lim.