Технічний принцип і застосування перетворювача ультразвукового діапазону

         Технічний принцип і застосування перетворювача ультразвукового діапазону

Ультразвукові перетворювачі - це датчики, розроблені з використанням характеристик ультразвукових хвиль. Ультразвук — це механічна хвиля з частотою вібрації, вищою за частоту звукових хвиль, яка генерується вібрацією мікросхеми перетворювача під дією напруги. Він має високу частоту, коротку довжину хвилі, невелике явище дифракції, особливо хорошу спрямованість і може бути орієнтований як характеристики поширення променів. Ультразвук має велику проникаючу здатність до рідин і твердих тіл, особливо в твердих тілах, непрозорих для сонячного світла, він може проникати на глибину в десятки метрів. Ультразвукові хвилі створюють значні відбиття, коли вони стикаються з домішками або межами розділу, утворюючи відлуння, а коли вони стикаються з рухомими об’єктами, вони створюють ефект Доплера. Тому ультразвукове виявлення широко використовується в промисловості, національній обороні, біомедицині тощо. Ультразвуковий перетворювач відстані використовується як метод виявлення, а ультразвукові хвилі повинні генеруватися та прийматися. Пристроєм, який виконує цю функцію, є ультразвуковий датчик, який прийнято називати медичним приладом, або ультразвуковим зондом.

The зонд ультразвукового перетворювача в основному складається з п’єзоелектричної кераміки, яка може як передавати, так і приймати ультразвукові хвилі. Для виявлення в основному використовуються малопотужні ультразвукові зонди. Він має багато різних структур, які можна розділити на прямий зонд (поздовжня хвиля), косий зонд (зсувна хвиля), зонд поверхневої хвилі (поверхнева хвиля), зонд хвилі Лемба (хвиля Лемба), подвійний зонд (один зонд відображення, один зонд прийом) очікування.

Ядро ан Ультразвуковий перетворювач рівня являє собою п'єзоелектричну кераміку в пластиковій або металевій оболонці. Є багато видів матеріалів, з яких складається пластина. Розмір чіпа, наприклад діаметр і товщина, також різний, тому продуктивність кожного зонда різна, і ми повинні знати його продуктивність заздалегідь, перш ніж використовувати його. До основних показників роботи ультразвукових датчиків відносяться:

(1) Робоча частота. Робоча частота ультразвукового датчика відстані є резонансною частотою кристала п'єзоелектричної кераміки. Коли частота напруги змінного струму, що подається на два його кінці, дорівнює резонансній частоті мікросхеми, вихідна енергія є найбільшою, а чутливість найвищою.

(2) Робоча температура. Оскільки точка Кюрі п'єзоелектричного матеріалу, як правило, відносно висока, особливо коли потужність п'єзоелектричний ультразвуковий зонд для діагностики відносно невеликий, робоча температура відносно низька, і він може працювати протягом тривалого часу без збоїв. Температура ультразвукового датчика, який використовується під час лікування, є відносно високою, тому потрібен окремий охолоджуючий пристрій.

(3) Чутливість. Багато що залежить від виготовлення самої вафлі. Чим більше коефіцієнт електромеханічного зв'язку, тим вище чутливість; в іншому випадку, нижча чутливість.

Будова і принцип роботи

При подачі напруги п'єзоелектричного керамічного перетворювача , механічна деформація відбуватиметься зі змінами напруги та частоти. З іншого боку, коли п’єзоелектрична кераміка вібрує, генерується електричний заряд. Використовуючи цей принцип, коли електричний сигнал подається на вібратор, що складається з двох п’єзоелектричних керамічних матеріалів або п’єзоелектричної кераміки та металевого листа, так званого біморфного елемента, ультразвукові хвилі будуть випромінюватися через вібрацію згину. Натомість, коли ультразвукові коливання застосовуються до біморфного елемента, генерується електричний сигнал. Завдяки наведеним вище ефектам п’єзокераміку можна використовувати як ультразвукові датчики.

Як і ультразвуковий перетворювач, композитний вібратор гнучко закріплений на основі. Композитний вібратор являє собою комбінацію резонатора та біморфного вібратора, що складається з металевої пластини та п’єзоелектричної керамічної пластини. Резонатор має форму труби, мета полягає в тому, щоб ефективно випромінювати ультразвукові хвилі, створювані вібрацією, і ефективно фокусувати ультразвукові хвилі на найважливішій частині вібратора.

Ультразвуковий перетворювач для зовнішнього використання повинен мати хорошу герметичність, щоб запобігти проникненню роси, дощу та пилу. П'єзокераміка закріплена на внутрішній стороні верхньої частини металевої коробки. Основа кріпиться до відкритого кінця коробки і покривається смолою. Для ультразвукових датчиків, які використовуються в промислових роботах, товщина повинна досягати 1 мм, і вони мають сильне ультразвукове випромінювання.

Неможливо досягти цього на частотах, вищих за 70 кГц, використовуючи згинальні коливання звичайного біморфного вібратора. Тому при високочастотному детектуванні необхідно використовувати п’єзоелектричну кераміку з режимом вертикальної товщинної вібрації. У цьому випадку дуже важливим стає узгодження акустичного опору п'єзокераміки і повітря. Акустичний опір п'єзоелектричної кераміки становить 2,6 × 107 кг/м2 с, тоді як акустичний опір повітря становить 4,3 × 102 кг/м2 с. Відмінності ступенів 5 призводять до значних втрат на п'єзокерамічній вібраційній випромінювальній поверхні. Спеціальний матеріал, наклеєний на п’єзоелектричну кераміку, діє як акустичний узгоджувальний шар, який відповідає акустичному опору повітря. Ця структура може дозволити ультразвуковому датчику працювати нормально, навіть коли частота досягає сотень кГц.