Застосування п'єзоелектричної кераміки, що використовується в ультразвуковому датчику відстані

За останні 20 років,Вартість п'єзоелектричних кристалів швидко розвивається вдома та за кордоном. Завдяки своїм перевагам у простоті виробництва, низькій вартості та хорошій стабільності вони широко використовуються в галузях електроніки, світла, тепла та акустики та мають широкий асортимент. Ультразвукові перетворювачі виготовлені з п’єзоелектричної кераміки, яка може створювати ультразвукові хвилі з хорошою спрямованістю. Вони ідеально підходять для вимірювання таких параметрів, як швидкість і відстань, і можуть працювати стабільно та надійно в суворих умовах навколишнього середовища.

Щодо ультразвукового вимірювального пристрою, то ультразвук означає звукові хвилі з частотою вище 20 кГц, які є механічними хвилями. Завдяки хорошій спрямованості та стійкості до навколишнього середовища він використовується в технології вимірювання крутного моменту. Ультразвуковий дальномер - безконтактний метод дальнометрії. Методи в основному включають імпульсний метод, фазовий метод і метод перетворення частоти. Ультразвуковий дальномер в основному використовує імпульсний метод. Імпульсний метод безпосередньо визначає значення відстані шляхом вимірювання часу, протягом якого несучий імпульсний сигнал переміщається вперед і назад на відстань, що підлягає вимірюванню. Формула генерація енергії п’єзопластинки становить D=Vt2D/2, де D — відстань, яку потрібно виміряти; V – швидкість поширення носія в повітрі; t2D — час проходження туди й назад. На точність імпульсного методу впливає точність вимірювання часу, а на точність вимірювання часу – частота коливань. Якщо ультразвукова хвиля використовується як носій і точність вимірювання відстані становить D≤1 см, точність вимірювання часу повинна бути t≤5,9 × 10-5 с, тобто якщо частота коливань досягає 1,7 × 104 Гц, це дуже легко реалізувати.

П'єзоелектричні ультразвукові перетворювачі виготовляються з використанням п'єзоелектричного ефекту п'єзоелектричних матеріалів. Поляризований п'єзоелектричний матеріал зазнає механічної деформації під дією прикладеного електричного поля. Це називається зворотним п'єзоелектричним ефектом. І навпаки, механічна деформація п’єзоелектричного матеріалу також створює напругу, яка називається позитивним п’єзоелектричним ефектом. Використовуючи зворотний п’єзоелектричний ефект, високочастотну напругу можна перетворити на високочастотну механічну вібрацію для генерації ультразвукових хвиль; позитивний п'єзоелектричний ефект також можна використовувати для перетворення отриманої ультразвукової вібрації в електричний сигнал. Так працює ультразвуковий перетворювач. П'єзоелектричні ультразвукові перетворювачі можна розглядати як чотириполюсні мережі з електричним і механічним кінцями.

Вибір п'єзоелектричних матеріалів П’єзоелектричні пластини полягає в тому, що п’єзоелектричні матеріали для виготовлення ультразвукових перетворювачів включають п’єзоелектричні монокристали, полікристалічну п’єзоелектричну кераміку, п’єзоелектричні полімери та п’єзоелектричні композитні матеріали. Серед них п’єзоелектрична кераміка з цирконат-титанату свинцю має такі переваги, як висока механічна міцність, стійкість до температури та вологості, низька вартість і хороший ефект електромеханічного з’єднання, і широко використовується в ультразвукових перетворювачах. Ультразвуковий перетворювач в ультразвуковому далекомірі використовує п’єзоелектричну кераміку з цирконат-титанату свинцю як матеріал вібратора.

Якщо дві подовжені п’єзоелектричний диск П’єзоелектричний кристал однакової товщини та поляризований зв’язаний разом, коливання збудливого електричного поля може виникати, коли воно подовжується, а інше – вкорочується. Два з’єднаних п’єзокерамічних листа поляризовані в протилежних напрямках і під’єднані послідовно до джерела живлення; показані режими паралельного з'єднання двох п'єзокерамічних листів, що мають однаковий напрямок поляризації. У двох п’єзокерамічних клейових листах електричне поле збуджує лише один із них, створюючи вібрацію згинання. Подібним чином, з’єднання двох п’єзоелектричних керамічних листів з тонким металевим листом або з’єднання керамічного листа з тонким металевим листом також може призвести до товщини вібрації при вигині. Резонансна частота fr моди згинальних коливань і довжина листа. Зв’язок між загальною товщиною t і клейовим листом є fr = Nlttl2, де Nlt є постійною частотою. Режим вібрації при вигині товщини застосовний до діапазону частот від 500 Гц до 100 кГц. Розмір такого вібратора зазвичай дорівнює ширині керамічного листа, l = (6 ~ 10) ww ≥ 3,5 т. Режим вібрації зсуву по товщині характеризується тим, що поверхня електрода паралельна напрямку поляризації, а п’єзокерамічний лист піддається зсуву вібрації в напрямку товщини під дією змінного електричного поля. Режим зсуву товщини відносно легко збудити, і він в основному використовується в діапазоні високих частот від 10 до 60 кГц, який не буде описаний докладно. В ультразвуковому далекомірі п'єзоелектричний перетворювач випромінює ультразвукові хвилі, а амплітуда вібрації вібратора велика, тому режим згинальної вібрації є кращим. У той же час, оскільки акустичний опір повітря є надзвичайно низьким, для загального п’єзоелектричного матеріалу неможливо досягти узгодження імпедансу з ним, і тому це має бути реалізовано за допомогою перехідного шару. Виявлено, що п’єзоелектричний керамічний шматок прикріплений до тонкого металевого шматка, і Ультразвуковий п’єзоелектричний перетворювач використовується як джерело збудження для генерації режиму згинальної вібрації, який має велику амплітуду та малий акустичний опір, і може досягти узгодження акустичного опору з повітрям. . Цей виріб має форму зв’язаної структури п’єзокерамічних листів і тонких металевих листів.

 Тонкі металеві листи також можуть діяти як захисна плівка для захисту п’єзоелектричної кераміки та електродів від зносу та пошкодження. Матеріал може бути обраний з високостабільного нікель-хром-титанового сплаву. Оскільки тонший метал є вищим, звуковий тиск є зворотно-поступальним коефіцієнтом пропускання, металевий шматок розроблено тонким, як правило, приблизно 0,1 мм. Форма та розмір вібратора в ультразвуковому далекомірі вимагають, щоб ультразвукове поле, що передається, мало форму віяла, враховуючи використання прямокутного вібратора як джерела хвилі. Для вібрації поршня використовується джерело прямокутної хвилі довжиною L і шириною W, а звукове поле поздовжньої хвилі випромінюється в газовому середовищі аналогічно дисковому джерелу. Головний пучок випромінювання являє собою чотирикутну піраміду, що представляє собою перспективний вигляд спрямованого головного пелюстка джерела прямокутної хвилі. Ультразвуковий далекомір випромінює ультразвукову хвилю 36 кГц для одночастотного визначення діапазону, тобто резонансна частота п’єзоелектричного керамічного генератора становить 36 кГц. Ця частота не тільки задовольняє вимоги системи щодо дальності виявлення, точності та чутливості, але також забезпечує більшу ефективність переданих ультразвукових хвиль у повітрі. За допомогою розрахунку формули та експериментальної корекції розмір п’єзоелектричного керамічного прямокутного вібратора визначається як: L=26,5 мм, W=11,2 мм, п’єзоелектричний перетворювач розроблений як близька структура резонансу основної частоти, а корпус виготовлений з інженерного пластику. Він може фіксувати та захищати металеві та керамічні клейкі листи. Два контакти електрода відповідно з’єднані з електродом з металу та кераміки через провідні дроти, і спосіб з’єднання може бути припаяний припоєм або низькотемпературним провідним клеєм.