Nyheter

Du är här: Hem / Nyheter / Grunderna i piezoelektrisk keramik / isolationsresistans och medellivslängd för piezoelektrisk keramisk hydrofon

isolationsresistans och medellivslängd för piezoelektrisk keramisk hydrofon

Visningar: 45 Författare: Webbplatsredaktör Publiceringstid: 2019-10-16 Ursprung: Plats

Fråga

Piezoelektriska keramiska hydrofoner har ett brett utbud av applikationer i ekolod på grund av deras planhet, stabila prestanda och enkla struktur. Det huvudsakliga felläget för piezoelektriska keramiska hydrofoner är minskningen av isolationsmotståndet. Hydrofonens genomsnittliga isolationsresistans reduceras för att överskrida de specificerade felkriterierna Rfc, vilket bedöms som ett fel. Att studera variationen av isolationsresistansen hos piezoelektrisk keramisk hydrofon, påverkan av isolationsresistansminskningen på känsligheten och bestämningen av medellivslängden är därför av stor betydelse för att korrekt förstå och bemästra hydrofonens prestanda- och tillförlitlighetsindex. Underhållet och skyddet har också ett visst referensvärde.

1 Den genomsnittliga livslängden för en hydrofon
Enligt tillförlitlighetsteorin är antalet piezoelektriska skivomvandlarprodukter testades under samma förhållanden och den totala livslängden mättes. Sedan är MTTF för den genomsnittliga tiden före fel där r(t) är det kumulativa antalet fel i produkten under arbetstiden från 0 till t. När produktens livslängdsfördelning följer den exponentiella fördelningen, är dess MTTF den reciproka av felfrekvensen λ (sannolikheten för att produkten inte ska fungera vid en viss tidpunkt och enhetens tid efter den tiden), det vill säga 1/λ. Hydrofoner kan använda MTTF för att representera deras genomsnittliga livslängd. Inom tekniken används ofta den genomsnittliga isoleringen av alla hydrofoner i partiet, och motståndet Rm reduceras till tiden tav för felstandarden Rfc som medellivslängd. I Rfc-värdet har vissa hydrofoner varit felaktiga. Även om andra hydrofoner kan fungera normalt, kommer deras känslighet att sjunka kraftigt i lågfrekvensbandet, vilket kommer att ha en allvarlig inverkan på prestandan hos den mottagande arrayen. Därför bör den bytas ut så snart som möjligt. .

2 hydrofonisoleringsmotstånd

2.1 Mekanism och lag för minskningen av isolationsmotstånd

Kärnkomponenten i en piezoelektrisk keramisk hydrofon är en piezoelektrisk keramisk komponent. När den piezoelektriska keramiska komponenten torkas är isolationsmotståndet högt, och när vattenmolekyler infiltrerar är isolationsmotståndet lägre. Ju fler vattenmolekyler som infiltrerar, desto mer sjunker isoleringsmotståndet. Piezoelektriska keramiska hydrofoner arbetar i vattnet i många år. De piezoelektriska keramiska komponenterna är inkapslade av vattentäta material (som neopren, polyuretan, etc.), men vattenmolekyler passerar alltid genom ytan av dessa material eller två material. Bindningsytan tränger in i ytan och insidan av den piezoelektriska keramiska komponenten, så att hydrofonens isolationsmotstånd blir lägre. Ju längre hydrofonen används, desto fler vattenmolekyler ackumuleras på ytan och insidan av den piezokeramiska komponenten, och ju större isolationsresistansen är, desto mer fungerar hydrofonen. Det kan ses från ovanstående analys att fallet i hydrofonens isolationsresistans är oundvikligt och irreversibel. Vi kan inte låta hydrofonens isolationsmotstånd inte sjunka, allt vi kan göra är att fördröja hastigheten på fallet. Avmattningen av isolationsmotståndet innebär en ökning av hydrofonens livslängd. Följande mätning kan användas för att bromsa motståndet hos hydrofonens isoleringsmotstånd (1) Användning av piezoelektriska keramiska komponenter med låg fuktabsorption. Generellt sett är material med högre densitet mindre hygroskopiska än material med lägre densitet. Det vanliga PZT piezoelektriska keramiska materialet har en densitet på 7,8 g/cm3, och det sällan använda piezoelektriska keramiska materialet av bariumtitanat har en densitet på 5,7 g/cm3, och det senare har en mycket större 'hygroskopicitet'; 2) Använd vattentäta material med låg vattenpermeabilitet; (3) Förbättring av tillverkningsprocessen för hydrofoner, och får ofta uppenbara effekter. För en enda piezokeramisk hydrofon kan vi inte förutsäga lagen om dess isolationsmotståndsfall, och den kan inte heller förutsäga när den kommer att misslyckas. Men för ett parti hydrofoner, och antalet av dessa hydrofoner är stort, kommer deras isolationsmotstånd följa en viss lag, den så kallade statistiska lagen. Om man först tittar på ett exempel, även om det inte är praktiskt, är det abstraherat från verkligheten och har en praktisk grund. hydrofoner tas i bruk, och standarden Rfc = 0,5 MΩ för bestämning av felfunktion i hydrofonen antas. I början av användningen mättes en typisk fördelning av hydrofonens isolationsresistans. De flesta av hydrofonerna har ett isolationsmotstånd Rm större än eller lika med 100 MΩ, medan 50 piezokeramisk skivsensor är föremål för exponentiell lag. Det vill säga att vid en viss temperatur gäller följande formel.

2.2 Isolationsmotstånd och hydrofonkänslighet

Från den ekvivalenta kretsanalysen kan hydrofonens isolationsresistans betraktas som parallell med hydrofonens två ändar. När antalet vattenmolekyler som tränger igenom ytan av det piezokeramiska elementet och det inre vattnet genom det vattentäta täckmaterialet och bindeskiktet ökar, kommer hydrofonens isolationsresistans Rm att minska kontinuerligt. Att sänka Rm till en viss nivå kommer att minska hydrofonens känslighet. Ju lägre driftsfrekvens, desto större är minskningen i M. Det ekvivalenta kretsschemat för den piezoelektriska keramiska hydrofonen kan ges i form av en konstant strömkälla, och kan också ges i form av en konstant spänningskälla. Den konstanta spänningskällan är ekvivalent kretsdiagram visar simulerings- och faktiska mätresultat av känslighetsreduktionen av en hydrofon under de olika isolationsresistanserna. Både teoretiska beräkningar och faktiska mätningar visar att ju mindre hydrofonens statiska kapacitans är, desto större påverkan har minskningen av Rm på M. Eftersom den statiska kapacitansen hos hydrofonen testas är mycket stor, upp till 100000 pF, har minskningen av isolationsresistansen Rm en relativt liten effekt på dess känslighet . När Rm ≥ 10 kΩ är effekten på M försumbar; när Rm < 10 kΩ kommer det att ha stor effekt på M, och hydrofonen bedöms som ett fel. Vi kallar isolationsresistansvärdet som bestämmer hydrofonens fel som felvärdet Rf. I exemplet ovan är Rf = 10 kΩ.

Uppenbarligen, om hydrofonens statiska kapacitans är 10 000 pF, kommer känsligheten att påverkas avsevärt när isolationsresistansen är mindre än 100 kΩ. Vid denna tidpunkt är Rf=100 kΩ. Baserat på ovanstående resultat och värdet på hydrofonens känslighet som ekolodsmaskinen tillåter kan felkriteriet Rfc bestämmas. Rfc bör vara mer än 10 gånger större än Rf, för att säkerställa att den genomsnittliga isolationsresistansen för alla hydrofoner i arrayen är nära Rfc, antalet hydrofoner vars isolationsresistans Rm är mindre än Rf, det vill säga antalet felhydrofoner är hesa. Inom det intervall som tillåts av hela maskinen. Dessutom är hydrofonen installerad under fartygets vattenlinje. När väl hydrofonen har visat sig vara felaktig är det i allmänhet nödvändigt att vänta tills fartyget är dockat för att genomföra hydrofonbytet, så det blir en fördröjning. Under denna fördröjningstid kommer hydrofonens isolationsmotstånd att fortsätta att sjunka. Därför måste felstandarden Rfc ställas högre för att säkerställa att hydrofonen kan användas normalt innan byte. Dessutom har hydrofonens isolationsresistans ett stort samband med omgivningstemperaturen, och det måste beaktas fullt ut när man bestämmer hydrofonens felstandard Rfc.

2.3 Samband mellan isolationsmotstånd och omgivningstemperatur

Isolationsmotståndet hos piezokeramisk skivomvandlare är nära relaterad till omgivningstemperaturen: omgivningstemperaturen stiger, isolationsmotståndet minskar. Både teorier och ett stort antal praktiker har visat att förhållandet mellan isolationsresistansen Rm hos den piezoelektriska keramiska hydrofonen. den omgivande temperaturen liknar förhållandet mellan användningstiden och den exponentiella lagen. I formeln är Rmo isolationsresistansen mätt vid referenstemperaturen t0; k3 är temperaturkoefficienten av I-typ. På liknande sätt kan formeln ovan också skrivas i en mer bekväm och intuitiv form, k4 = exp(−k3), vilket är en temperaturkoefficient av typ II, sedan mo R ≈ R k , modifierad bariumtitanat piezoelektrisk keramisk hydrofon .Simuleringsresultat och uppmätta resultat av sambandet mellan isolationsresistans och omgivningstemperatur. Mätresultaten ligger nära simuleringsresultaten, k4 = 0,94 ~ 0,95 / 1 °C. Simuleringsresultaten och mätresultaten av förhållandet mellan isolationsresistansen hos PZT piezoelektrisk keramisk hydrofon och omgivningstemperaturen visas. Testresultaten ligger också nära simuleringsresultaten, k4=0,90~0,94/1°C. Förhållandet mellan isolationsresistansen hos den piezoelektriska keramiska hydrofonen och användningstiden är irreversibel; annars är förhållandet mellan isolationsresistansen för den piezoelektriska keramiska hydrofonen och omgivningstemperaturen reversibel, det vill säga när den omgivande temperaturen återgår till sitt ursprungliga värde, dess isolering .

Motståndet kommer också att återgå till sitt ursprungliga värde. Isolationsresistansen hos hydrofonen varierar mycket med omgivningstemperaturen. För varje 11 °C ökning av omgivningstemperaturen reduceras isolationsmotståndet med ungefär hälften. Jämfört med den modifierade bariumtitanat piezoelektriska keramiska hydrofonen kommer isolationsresistansen hos PZT piezoelektriska keramiska hydrofonen att förändras mer med omgivningstemperaturen. Ovannämnda variationsregler är olika för olika typer och olika specifikationer av piezoelektriska keramiska material med olika strukturer och olika vattentäta beläggningsmaterial, som måste bestämmas genom experiment. När man ska bestämma felstandarden Rfc för en piezoelektrisk keramisk hydrofon, bör förhållandet mellan hydrofonens isolationsresistans och omgivningstemperaturen beaktas fullt ut. För utrustning med höga tillförlitlighetskrav bör Rfc för den stödjande hydrofonen bestämmas vid högsta omgivningstemperatur (till exempel 30 °C). Således, när omgivningstemperaturen sjunker, kommer hydrofonens isolationsresistans bara att öka och kommer inte att påverka normal användning.

Huvudläget för piezoelektriska keramiska hydrofoner är minskningen av isolationsmotståndet. Mekanismen är att vattenmolekyler tränger in i ytan och insidan av piezokeramiska komponenter genom det vattentäta beläggningsmaterialet och bindningsskiktet. Isolationsresistansen minskar med den ökande användningstiden och uppfyller den exponentiella lagen. Isolationsmotståndet minskar när omgivningstemperaturen ökar, och uppfyller även den exponentiella lagen. När isolationsmotståndet reduceras till en viss nivå kommer det att ha en betydande inverkan på hydrofonens känslighet, och ännu värre i lågfrekvensområdet. Praktiskt taget är det bekvämt att definiera den genomsnittliga tiden för att sänka den genomsnittliga isolationsresistansen för en sats hydrofoner till den specificerade felstandarden. Vid bestämning av felstandarden, baserat på förhållandet mellan hydrofonens isolationsresistans och känsligheten, beaktas förhållandet mellan hydrofonens isolationsresistans och omgivningstemperaturen fullt ut, och fördröjningen mellan hydrofonens fel och genomförandet av ersättningen hittas, och felet ökas på lämpligt sätt.