Parâmetros de materiais piezoelétricos e equações piezoelétricas (3)

(11) fator de qualidade mecânico QM

Quando oPzt material piezo cerâmicoÉ usado para a vibração de ressonância, é necessário superar a perda interna de fricção mecânica (consumo interno) e, quando há uma carga, é necessário superar a perda de carga externa. O fator de qualidade mecânico QMO (valor Q-Load Mechanical Q) está relacionado a essas perdas mecânicas. E QM (valor q mecânico sob carga). É definido como: QM = energia mecânica armazenada pelo vibrador piezoelétrico em ressonância / energia mecânica perdida durante o período de ressonância. Reflete a quantidade de energia consumida pelo corpo piezoelétrico para superar a perda mecânica quando estiver vibrando. Um QM maior significa menos perda de energia mecânica. A existência do QM também indica que é impossível para qualquer material piezoelétrico usar toda a energia mecânica de entrada para saída. Na ressonância: QM = (π / 2) [ZC / (ZL-ZB)], onde ZC é a impedância acústica do vibrador piezoelétrico; Zl é a impedância acústica da carga; ZB é o bloco de amortecimento na impedância acústica do transdutor piezoelétrico. Para um transdutor piezoelétrico, seu QM e QE não são constantes. Eles estão relacionados à frequência operacional, largura de banda de frequência, processo de fabricação, estrutura e meio de radiação (carga) do transdutor piezoelétrico. No transdutor piezoelétrico usado na tecnologia de detecção ultra-sônica, quando o QM é muito alto, é fácil fazer a forma de onda de vibração gerada pelo vibrador por muito tempo (fenômeno tocando), resultando em distorção de forma de onda e resolução mais baixa. Da mesma forma, QE não é maior e maior. A escolha e a determinação do QM e QE devem ser decididas de acordo com as necessidades reais. Um grande valor Q significa que o consumo de energia é pequeno durante o efeito piezoelétrico. Pode reduzir a quantidade de calor gerada no caso de aplicações de alta potência e alta frequência ou aplicações de energia de transmissão pura, que é uma vantagem. No entanto, para um transdutor de fins de detecção, um grande valor Q é desvantajoso para ampliar a faixa de freqüência, melhorando a forma de onda e aumentando a resolução. Além disso, uma vez que o valor Q também muda com a natureza da carga (por exemplo, o meio de carga enfrentado pela sonda de imersão da água e a sonda de método de contacto é diferente), a influência do meio de carga também deve ser considerada quando é projetar o transdutor (impedância de radiação).

(12) Coeficiente de acoplamento eletromecânico K
Este é um parâmetro importante para examinar materiais piezoelétricos a partir da perspectiva de energia. Sua definição é durante o efeito piezoelétrico positivo, a tensão externa E = 0, e há: K2 = energia elétrica armazenada no corpo piezoelétrico sob as condições ideais ideais. A entrada total de energia mecânica no corpo piezoelétrico sob as condições, ou em outros Palavras: K2 = A energia mecânica convertida que faz com que a carga se mova entre os eletrodos conectados / a energia mecânica de entrada que segue o estresse aplicado, o estresse externo τ durante o efeito piezoelétrico inverso = 0, sim: k2 = energia mecânica armazenada no Corpo piezoelétrico sob condições ideais / entrada total de energia elétrica no corpo piezoelétrico sob condições ideais ou: K2 = Energia elétrica convertida causando tensão mecânica / Energia elétrica Energia elétrica sob transistências de pressão têm elasticidade, dieletricidade e piezoeletricidade ao mesmo tempo, e eles trabalham juntos. Por esta razão, é necessário introduzir essa quantidade física para ver essas características de maneira unificada, o que indica o grau de resistência ao acoplamento entre energia mecânica e energia elétrica. Em um sentido físico, descreve apenas a conversão e não é igual eficiência, e a energia convertida não pode ser completamente convertida em energia irradiada ou de saída (incluindo consumo interno e feedback, etc.). Claro, em certo sentido, também pode ser dito que o coeficiente de acoplamento eletromecânico k representa a \"eficiência \" do corpo piezoelétrico convertendo energia elétrica em energia elástica, ou converter energia elástica em energia elétrica. É determinado principalmente pelo tipo de material piezoelétrico. Também depende do modo de vibração do corpo piezoelétrico, mas não tem nada a ver com o valor da frequência ressonante do transdutor. Além disso, o valor K também depende da estrutura do transdutor piezoelétrico, das condições de operação e do tamanho do eletrodo e da posição do corpo piezoelétrico. Podemos dividir a densidade de energia u (energia em um volume unitário) de materiais piezoelétricos em três partes, uma é a densidade de energia elástica, uma é a densidade de energia elétrica (densidade de energia dielétrica), e uma é uma densidade de intercâmbio de energia piezoelétrica (omit térmica e itens de energia magnética).

A primeira parte aqui é a parte mecânica da energia elástica mecânica material, a segunda parte doComponnets de anel piezocerâmicoé a energia elétrica de campo de parte elétrica, e a terceira parte é a densidade de energia da interação entre energia elástica e energia dielétrica. A energia interna total é: U = UE + UD + 2um. Considerando que a energia piezoelétrica é energia intercambiável, é duplicada. Portanto, podemos definir o coeficiente de acoplamento eletromecânico de outra maneira: K = UM / (UEUD) 1/2. Ou: K = valor médio geométrico da energia piezoelétrica / energia elástica e energia dielétrica. A razão para escolher o valor médio geométrico da energia elástica e a energia dielétrica é considerar a distribuição de energia desigual de cada pequena parte do cristal piezoelétrico. Desta forma, podemos dizer que a proporção da energia que pode ser piezoeletricamente convertida em um volume unitário de material piezoelétrico é o coeficiente de acoplamento eletromecânico. Por exemplo, UD e UE não podem ser convertidos piezoelétricos, mas não é perda de energia. Para materiais específicos, como quartzo, a perda de energia é pequena e a eficiência de conversão é muito alta, mas seu coeficiente de acoplamento eletromecânico é menor do que a de cerâmica piezoelétrica, enquanto a eficiência de conversão de cerâmica piezoelétrica não é alta. Uma grande parte pode ser piezoeletricamente convertida, o que significa que seu coeficiente de acoplamento eletromecânico é alto. A partir daqui, podemos reconhecer a diferença entre coeficiente de acoplamento eletromecânico e eficiência. O coeficiente de acoplamento eletromecânico é uma proporção de energia, dimensional e seu valor máximo é 1, quando k = 0, significa que nenhum efeito piezoelétrico ocorre. Os coeficientes comuns de acoplamento eletromecânico são os seguintes:

(1) Coeficiente de acoplamento eletromecânico para vibração radial (também conhecido como coeficiente de acoplamento eletromecânico planar): reflete o efeito de acoplamento eletromecânico de um cristal piezoelétrico em forma de disco fino quando é submetido a vibração telescópica radial, desde que o diâmetro da bolacha seja ≥3 vezes a espessura da bolacha t, sua direção de espessura é a direção de polarização e a direção do campo elétrico aplicado.

(2) Vibração transversal (vibração de comprimento transversal) Coeficiente de acoplamento eletromecânico K31 reflete o efeito de acoplamento eletromecânico quando o cristal piezoelétrico em forma de folha longa com a direção da espessura como a direção de polarização se estende e contratos na direção do comprimento, desde que o comprimento da folha é l≥3 vezes. A largura e a espessura dos flocos.

(3) Coeficiente de acoplamento eletromecânico K33 de vibração longitudinal (vibração longitudinal de comprimento): reflete o efeito de acoplamento eletromecânico da vibração telescópica ao longo da direção do comprimento quando o cristal piezoelétrico em forma de barra esbelta é polarizado na direção de espessura, e a direção do campo elétrico é a mesmo que a direção de polarização. A condição é uma largura e espessura ou diâmetro da haste com um comprimento l≥3 vezes.

(4) Coeficiente de acoplamento eletromecânico KT de espessura vibração: reflete o efeito de acoplamento eletromecânico de cristais piezoelétricos em forma de folha polarizado na direção de espessura e a direção do campo elétrico é também na direção da espessura. A condição é que a espessura da bolacha é menor que o comprimento lateral ou o diâmetro da bolacha.

(5) Coeficiente de acoplamento eletromecânico de espessura de tesoura de espessura K15: reflete o efeito de acoplamento eletromecânico da vibração de cisalhamento de espessura do cristal piezoelétrico.

Em resumo, podemos concluir que os principais princípios de seleção ao selecionar materiais piezoelétricos para tornar os transdutores piezoelétricos em aplicações práticas de testes ultrassônicos são os seguintes: (1) Quanto maior o valor do D33 - D33, melhor o desempenho de emissão. . Obviamente, quando está fazendo um transdutor de transmissão, é melhor escolher um material com um valor D33 o mais grande possível; (2) Quanto maior o valor do G33 - G33, melhor o desempenho de recebimento. Obviamente, se você quiser fazer um transdutor de recebimento, você deve escolher um material com um grande valor de G33 o máximo possível; Quando você precisa fazer um transdutor que combine a transmissão e a recepção, como uma consideração abrangente, você deve escolher um valor próximo e tão grande quanto D33 e G33 também. (3) impedância acústica z (z = ρc) -Considering que a reflectância e transmitância de ondas ultra-sônicas estão relacionadas à diferença de impedância acústica entre o meio. A menor diferença na impedância acústica é a maior transmitância ultra-sônica. A fim de tornar tantas ondas ultrassônicas quanto possível do transdutor piezoelétrico, insira o meio de teste, um material piezoelétrico cuja impedância acústica é o mais próximo possível da impedância acústica do meio de contato deve ser selecionada. Deve-se notar que a existência do campo elétrico afetará a aparente velocidade sólida no material piezoelétrico, e até mesmo a impedância acústica do material piezoelétrico mudará no estado de trabalho. (4) Coeficiente de acoplamento eletromecânico KT de espessura vibração - na tecnologia de detecção ultra-sônica, a aplicação mais importante é o tipo de vibração de espessura do tipo piezoelétrico, então quanto maior o valor do KT, melhor o desempenho de conversão eletromecânica, que a sensibilidade do transdutor é maior que. (5) Coeficiente de acoplamento eletromecânico KP de vibração radial - quando o chip piezoelétrico está realizando vibração de espessura, há também vibração radial ao mesmo tempo, que irá interferir com a vibração de espessura e causar distorção de forma de onda, aumento ou aumento de ruído, etc. Espera-se que o valor KP seja o menor possível. Em geral, a consideração, maior o valor KT / KP, melhor.

(6) constante dielétrica ε - a bolacha piezoelétrica forma um capacitor depois que os eletrodos são revestidos, e sua capacitância está em conformidade com c = εa / t, ou seja, a constante dielétrica ε, a área relativa a dos eletrodos, e o espaçamento eletrodo (espessura da bolacha) T relacionado. No circuito, uma pequena capacitância significa uma grande reatância capacitiva, que é adequada para uso como elemento piezoelétrico de alta frequência. Em particular, o transdutor de detecção ultra-sônica trabalha principalmente na faixa de frequência de Megahertz, por isso é necessário que o ε do material piezoelétrico seja menor. Por outro lado, quando usado para fazer componentes piezoelétricos de baixa frequência (como alto-falantes e microfones na faixa de áudio), um material com um grande ε deve ser selecionado para atender aos requisitos de correspondência de grande capacidade e baixa reatância capacitiva. Deve-se notar que o valor de ε também está relacionado à liberdade mecânica do transdutor, isto é, as constantes dielétricas do estado de fixação mecânica e o estado livre mecânico são diferentes, portanto, há diferenças entre ε e ετ. Além disso, a relação entre ε e a frequência também é mais sensível, portanto, o valor ε deve ser realmente medido na condição da freqüência de operação específica. Isso significa que as bolachas piezoelétricas da mesma espessura têm uma freqüência de ressonância maior, ou a espessura da bolacha é maior na mesma frequência de ressonância, que é conveniente para processamento e fabricação de componentes de alta frequência. Portanto, um material com maior valor NT deve ser selecionado.

(8) Ferroeltric Curie Point TC - O Cristal Ferroelétrico só tem a Ferroeletricidade dentro de uma determinada faixa de temperatura. Quando a temperatura atinge o ponto de curie ferroelétrico, o cristal perderá a ferrareletricidade, e as propriedades dielétricas, piezoelétricas, ópticas, elásticas e térmicas são todas anormais. A maioria das ferreelétricas tem apenas um ponto de curie, mas algumas ferrarelétricas têm pontos de curie superior e inferior, e têm feroeletricidade apenas na faixa de temperatura entre os pontos de curie superior e inferior. Por exemplo, o ponto superior da curie do titanato de zirconato de chumbo é 115-120 ° C e o ponto de curie inferior é -5 ° C. Se 5% de titanato de cálcio for adicionado ao titanato de bário, o ponto de curie inferior pode chegar a -40 ° C. . Além disso, algumas ferroelétricas não têm ponto de curie, como alguns materiais piezoelétricos de polímeros especiais (porque eles derretam ou mesmo queimados quando atingem uma certa temperatura).

Deve-se notar que, quando a temperatura real não atingiu o ponto de curie, o desempenho de muitos transdutores piezoelétricos (como KT, etc.) diminuiu significativamente ou deteriorou-se (por exemplo, a sonda de titanato de bário se deteriora a 60-70 ° C Além disso, a temperatura mais alta na qual ela pode funcionar não é igual a ser capaz de suportar mudanças repentinas de temperatura, que é causada pela existência de anisotropia, incluindo o coeficiente de expansão térmica. Portanto, no caso de temperaturas mais altas, como líderes de eletrodos de soldagem e aquecimento durante a vazamento do bloco de absorção durante a utilização real do transdutor e o processo de fabricação do transdutor, ao selecionar um material piezoelétrico, deve ser dada uma consideração específica à operação. condições do transdutor.

(9) fator de qualidade mecânico QM e fator de qualidade elétrica QE-em aplicações práticas, se os valores QM e QE forem grandes, haverá um fenômeno \"toque \", resultando em distorção de forma de onda e resolução reduzida, que não são propensas a detecção. A situação surge. Portanto, a partir das necessidades da tecnologia de detecção, a fim de refletir verdadeiramente as características do sinal de eco e garantir que a resolução de detecção atenda aos requisitos de detecção, QM e QE não se espera que seja muito grande. Além de levar em consideração ao selecionar materiais, quando a concepção e fabricação de transdutores, frequência, qm e valores QE precisam ser apropriadamente reduzidos aumentando o amortecimento na estrutura e alterando a impedância no circuito. Claro, reduzindo os valores da QM e QE vem à custa da sensibilidade (potência de saída reduzida). Portanto, o valor Q apropriado deve ser selecionado e ajustado de acordo com as necessidades da aplicação real (de acordo com a experiência, o valor Q real do transdutor de detecção ultra-sônica não deve ser maior que 10).

(10) Desempenho de envelhecimento de materiais piezoelétricosTubo de cilindro piezocerâmico-A propriedades piezoelétricas de materiais piezoelétricos polarizados terão mudanças irreversíveis com o tempo. Este fenômeno é chamado \"envelhecimento \", como constante dielétrico, perdas dielétricas, constantes piezoelétricas, coeficientes de acoplamento eletromecânico e elasticidade geralmente diminuem com o tempo, e as constantes de frequência e os valores de Q mecânicos aumentam com o tempo. A mudança desses parâmetros é basicamente linear com o valor logarítmico do tempo. Geralmente é considerado como uma unidade de dez anos, que é chamada \"de dez anos de envelhecimento \". Obviamente, este índice reflete a estabilidade do tempo de materiais piezoelétricos. Ao fazer transdutores piezoelétricos, deve-se considerar devido a seleção de materiais com melhor estabilidade do tempo. Em um transdutor ultra-sônico específico, este fenômeno envelhecido será especificamente manifestado em sensibilidade, ocupação inicial de ondas e nível de ruído elétrico. Portanto, a atenção também deve ser dada ao efeito do envelhecimento na compra e armazenamento do transdutor.

(11) Estabilidade térmica de materiais piezoelétricos - refere-se às propriedades piezoelétricas de materiais piezoelétricos que são constantes ou não degradados após um período de operação contínua em uma determinada faixa de temperatura abaixo do ponto de curie, especialmente para ambientes de alta temperatura. O transdutor de trabalho. O transdutor de trabalho. deve ser selecionado de materiais com boa estabilidade térmica.
Os 11 itens acima são os principais considerações e princípios de seleção quando escolhemos materiais piezoelétricos para fazer transdutores de testes ultrassônicos. Devemos considerar e selecionar adequadamente de acordo com a aplicação e necessidades específicas.