Parámetros de materiales piezoeléctricos y ecuaciones piezoeléctricas (3)

(11) Factor de calidad mecánico QM

Cuando elMaterial PZT PIZO CERAMICOSe utiliza para la vibración de resonancia, es necesario superar la pérdida de fricción mecánica interna (consumo interno), y cuando haya una carga, es necesario superar la pérdida de carga externa. El factor de calidad mecánico QMO QMO (valor mecánico Q sin carga) está relacionado con estas pérdidas mecánicas. Y QM (valor q mecánico q bajo carga). Se define como: QM = energía mecánica almacenada por el vibrador piezoeléctrico en resonancia / energía mecánica perdida durante el período de resonancia. Refleja la cantidad de energía consumida por el cuerpo piezoeléctrico para superar la pérdida mecánica cuando está vibrando. Un QM más grande significa menos pérdida de energía mecánica. La existencia de QM también indica que es imposible que cualquier material piezoeléctrico use toda la energía mecánica de entrada para la producción. En resonancia: QM = (π / 2) [ZC / (ZL-ZB)], donde ZC es la impedancia acústica del vibrador piezoeléctrico; ZL es la impedancia acústica de la carga; ZB es el bloque de amortiguación en la impedancia acústica del transductor piezoeléctrico. Para un transductor piezoeléctrico, su QM y su QE no son constantes. Están relacionados con la frecuencia de operación, el ancho de banda de frecuencia, el proceso de fabricación, la estructura y el medio de radiación (carga) del transductor piezoeléctrico. En el transductor piezoeléctrico utilizado en la tecnología de detección de ultrasonidos, cuando la QM es demasiado alta, es fácil hacer que la forma de onda de vibración sea generada por el vibrador demasiado largo (fenómeno de sonido), lo que resulta en distorsión de la forma de onda y una resolución más baja. De manera similar, QE no es más grande y más grande. La elección y determinación de QM y QE deben decidirse de acuerdo con las necesidades reales. Un gran valor Q significa que el consumo de energía es pequeño durante el efecto piezoeléctrico. Puede reducir la cantidad de calor generado en el caso de aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia o aplicaciones de energía de transmisión pura, que es una ventaja. Sin embargo, para un transductor de fines de detección, un valor Q grande es desventajoso para ampliar la banda de frecuencia, mejorando la forma de onda y aumentando la resolución. Además, dado que el valor Q también cambia con la naturaleza de la carga (por ejemplo, el medio de carga que enfrenta la sonda de inmersión de agua y la sonda del método de contacto es diferente), la influencia del medio de carga también debe considerarse cuando está diseñando El transductor (impedancia por radiación).

(12) Coeficiente de acoplamiento electromecánico K
Este es un parámetro importante para examinar los materiales piezoeléctricos desde la perspectiva de la energía. Su definición es durante el efecto piezoeléctrico positivo, el voltaje externo E = 0, y hay: K2 = energía eléctrica almacenada en el cuerpo piezoeléctrico bajo las condiciones ideales ideales. La entrada total de energía mecánica en el cuerpo piezoeléctrico en las condiciones, o en otros Palabras: K2 = la energía mecánica convertida que hace que la carga se mueva entre los electrodos conectados / la energía mecánica de entrada que sigue la tensión aplicada, la tensión externa τ durante el efecto piezoeléctrico inverso = 0, sí: k2 = energía mecánica almacenada en el Cuerpo piezoeléctrico en condiciones ideales / Entrada total de energía eléctrica en el cuerpo piezoeléctrico en condiciones ideales o: k2 = energía eléctrica convertida que causa la tensión mecánica / la energía eléctrica de la entrada bajo los transistores de presión tienen elasticidad, dielectricidad y piezoelectricidad al mismo tiempo, y trabajan juntos. Por esta razón, es necesario introducir esta cantidad física para ver estas características de una manera unificada, lo que indica el grado de resistencia de acoplamiento entre la energía mecánica y la energía eléctrica. En un sentido físico, solo describe la conversión y no es la misma eficiencia, y la energía convertida puede no convertirse completamente en energía radiada o de salida (incluido el consumo interno y la retroalimentación, etc.). Por supuesto, en cierto sentido, también se puede decir que el coeficiente de acoplamiento electromecánico K representa la \"eficiencia\" del cuerpo piezoeléctrico que convierte la energía eléctrica en energía elástica, o conversión de energía elástica en energía eléctrica. Se determina principalmente por el tipo de material piezoeléctrico. También depende del modo de vibración del cuerpo piezoeléctrico, pero no tiene nada que ver con el valor de la frecuencia resonante del transductor. Además, el valor K también depende de la estructura del transductor piezoeléctrico, las condiciones de funcionamiento y el tamaño del electrodo y la posición del cuerpo piezoeléctrico. Podemos dividir la densidad de energía U (energía en un volumen de unidad) de materiales piezoeléctricos en tres partes, una es la densidad de energía elástica, una es una densidad de energía de campo eléctrico (densidad de la energía dieléctrica), y una es la densidad de la energía del intercambio piezoeléctrico UM (Omitir térmico y artículos de energía magnética).

La primera parte aquí es la parte mecánica de la energía elástica mecánica de material, la segunda parte deComponentes de anillo piezocerámicoes la energía del campo-parte eléctrica eléctrico, y la tercera parte es la densidad de energía de la interacción entre la energía elástica y energía dieléctrica. La energía interna total es: U = Ue + Ud + 2um. Teniendo en cuenta que la energía es energía piezoeléctrica intercambiables, que se duplica. Por lo tanto, podemos definir el coeficiente de acoplamiento electromecánico de otra manera: K = Um / (UeUd) 1/2. O: K = valor medio geométrico de energía piezoeléctrica / energía elástica y energía dieléctrica. La razón para elegir el valor de la media geométrica de la energía elástica y energía dieléctrica es considerar la distribución de energía desigual de cada parte diminuta del cristal piezoeléctrico. De esta manera, podemos decir que la relación de la energía que se puede convertir piezoeléctrico en una unidad de volumen de material piezoeléctrico es el coeficiente de acoplamiento electromecánico. Por ejemplo, Ud y Ue no pueden ser convertidos piezoeléctrica, pero no es la pérdida de energía. Para materiales específicos, como el cuarzo, la pérdida de energía es pequeña y la eficacia de conversión es muy alta, pero su coeficiente de acoplamiento electromecánico es menor que el de las cerámicas piezoeléctricas, mientras que la eficiencia de conversión de las cerámicas piezoeléctricas no es alto. Una gran parte se puede piezoeléctrico convierte, lo que significa que su coeficiente de acoplamiento electromecánico es alta. A partir de aquí podemos reconocer la diferencia entre el coeficiente de acoplamiento electromecánico y eficiencia. El coeficiente de acoplamiento electromecánico es una relación de energía, adimensional, y su valor máximo es 1, cuando K = 0, significa que no se produce ningún efecto piezoeléctrico. Los coeficientes de acoplamiento electromecánicos comunes son los siguientes:

(1) coeficiente de acoplamiento electromecánico Kp para la vibración radial (también conocido como planar electromecánico acoplamiento de coeficiente): refleja el efecto de acoplamiento electromecánico de una delgada cristal piezoeléctrico en forma de disco cuando se somete a radial telescópica vibración, a condición de que el diámetro de la oblea es ≥3 veces la oblea de espesor t, su dirección de espesor es la dirección de polarización y la dirección del campo eléctrico aplicado.

(2) transversal de vibración (transversal longitud vibración) coeficiente de acoplamiento electromecánico K31 refleja el efecto de acoplamiento electromecánico cuando el largo cristal piezoeléctrico en forma de lámina con la dirección del espesor como los tramos dirección de polarización y contratos en la dirección de la longitud, siempre que la longitud de la hoja es l≥3 veces. La anchura y el grosor de los copos.

(3) coeficiente de acoplamiento electromecánico K33 de la vibración longitudinal (longitud longitudinal vibración): refleja el efecto de acoplamiento electromecánico de vibración telescópica a lo largo de la dirección longitudinal cuando el cristal piezoeléctrico en forma de barra delgada está polarizado en la dirección del grosor, y la dirección del campo eléctrico es el misma que la dirección de polarización. La condición es un ancho de la barra y el espesor o diámetro con una longitud veces l≥3.

(4) coeficiente de acoplamiento electromecánico Kt de espesor vibración: refleja el efecto de acoplamiento electromecánico de cristales piezoeléctricos en forma de lámina polarizada en la dirección del espesor y de la dirección del campo eléctrico está también en la dirección del espesor. La condición es que el espesor de la oblea es más pequeña que la longitud del lado o el diámetro de la oblea.

(5) coeficiente de acoplamiento electromecánico de espesor de cizallamiento vibración K15: refleja el efecto de acoplamiento electromecánico de espesor vibración de cizallado de cristal piezoeléctrico.

En resumen, podemos concluir que los principales criterios de selección cuando la selección de materiales piezoeléctricos para hacer transductores piezoeléctricos en aplicaciones prácticas de pruebas ultrasónicas son los siguientes: (1) Cuanto mayor sea el valor de d33 - d33, mejor será el rendimiento de la emisión. . Obviamente, cuando se está haciendo un transductor de transmisión, es mejor elegir un material con un valor d33 lo más grande posible; (2) Cuanto mayor sea el valor de g33 - g33, mejor será el rendimiento de recepción. Obviamente, si usted quiere hacer un transductor de recepción, debe elegir un material con un valor grande de g33 tanto como sea posible; cuando se necesita para hacer un transductor que combina la transmisión y recepción, como una consideración global, usted debe elegir un valor cercano a y tan grande como D33 y G33 también. (3) Acoustic impedancia Z (Z = ρc) -Considerando que la reflectancia y la transmitancia de las ondas ultrasónicas están relacionadas con la diferencia en la impedancia acústica entre el medio. la diferencia más pequeña en la impedancia acústica es la transmitancia mayor de ultrasonidos. Con el fin de hacer tantas ondas ultrasónicas como sea posible de la piezoeléctrico transductor de entrar en el medio de ensayo, un material piezoeléctrico cuya impedancia acústica es lo más cerca posible a la impedancia acústica del medio de contacto debe ser seleccionado. Cabe señalar que la existencia del campo eléctrico afectará a la velocidad del sonido aparente en el material piezoeléctrico, e incluso la impedancia acústica del material piezoeléctrico va a cambiar en el estado de trabajo. (4) coeficiente de acoplamiento electromecánico Kt de espesor de vibraciones En la tecnología de detección por ultrasonidos, la aplicación más importante es el chip piezoeléctrico tipo de vibración espesor, por lo que cuanto mayor sea el valor de Kt, mejor es el rendimiento de conversión electromecánica, que la sensibilidad del transductor es más alto. (5) coeficiente de acoplamiento electromecánico Kp de la vibración radial - Cuando el chip piezoeléctrico está realizando espesor vibración, también hay vibración radial, al mismo tiempo, lo que puede interferir con la vibración espesor y causa distorsión de forma de onda, el ruido aumentar o aumento, etc. se espera que el valor de Kp debe ser lo más pequeño posible. En consideración general, cuanto mayor sea el valor Kt / Kp, mejor.

(6) ε-La constante dieléctrica de la oblea piezoeléctrica forma un condensador después de que los electrodos están recubiertas, y sus ajusta de capacitancia a C = εA / t, que es, la varepsilon constante dieléctrica, la superficie relativa A de los electrodos, y la distancia entre electrodos (oblea de espesor) t relacionado. En el circuito, una pequeña capacitancia significa una gran reactancia capacitiva, que es adecuado para su uso como un elemento piezoeléctrico de alta frecuencia. En particular, el transductor de detección ultrasónico funciona principalmente en el rango de frecuencia de megahertzios, por lo que se requiere que el ε del material piezoeléctrico sea más pequeño. Por el contrario, cuando se utiliza para hacer que los componentes piezoeléctricos de baja frecuencia (como altavoces y micrófonos en la gama de audio), un material con una gran ε debe ser seleccionado para satisfacer los requisitos coincidentes de gran capacidad y baja reactancia capacitiva. Cabe señalar que el valor de ε también está relacionado con la libertad mecánica del transductor, es decir, las constantes dieléctricas del estado de fijación mecánica y el estado libre mecánica son diferentes, por lo que hay diferencias entre εe y ετ. Además, la relación entre ε y la frecuencia también es más sensible, por lo que el valor ε debe ser medida realmente en el estado de la frecuencia de funcionamiento específico. Esto significa que las obleas piezoeléctricas del mismo espesor tienen una frecuencia de resonancia superior, o el espesor de la oblea es más grande en la misma frecuencia de resonancia, que es conveniente para el procesamiento y la fabricación de componentes de alta frecuencia. Por lo tanto, un material con un valor mayor Nt debe ser seleccionado.

(8) Ferroelectric Curie punto Tc - El cristal ferroeléctrico tiene solamente ferroelectricidad dentro de un cierto rango de temperatura. Cuando la temperatura alcanza el punto de Curie ferroeléctrico, el cristal perderá ferroelectricidad, y las propiedades dieléctricas, piezoeléctricas, ópticos, elásticas, y térmicas son todos anormal. La mayoría de los ferroeléctricos tener sólo un punto de Curie, pero unos pocos ferroeléctricos tienen superior e inferior de puntos de Curie, y tienen ferroelectricidad sólo en el rango de temperatura entre los puntos de Curie superior e inferior. Por ejemplo, el punto de Curie superior de titanato zirconato de plomo es 115-120 ° C y el punto de Curie inferior es -5 ° C. Si se añade 5% de titanato de calcio a titanato de bario, el punto de Curie inferior puede llegar a -40 ° C. . Además, algunos materiales ferroeléctricos no tienen ningún punto de Curie, tales como algunos materiales piezoeléctricos de polímero especial (debido a que se han fundido o incluso quemado cuando llegan a una cierta temperatura).

Cabe señalar que cuando la temperatura real no ha alcanzado el punto Curie, el rendimiento de muchos transductores piezoeléctricos (como KT, etc.) ha disminuido o deteriorado significativamente (por ejemplo, la sonda de titanato de bario se deteriora a 60-70 ° C Además, la temperatura más alta en la que puede trabajar no es igual a poder soportar cambios de temperatura repentinos, lo que se debe a la existencia de anisotropía, incluido el coeficiente de expansión térmica. Por lo tanto, en el caso de temperaturas más altas, como los cables de los electrodos de soldadura y el calentamiento durante el vertido del bloque de absorción durante el uso real del transductor y el proceso de fabricación del transductor, al seleccionar un material piezoeléctrico, se debe dar una consideración específica a la operación Condiciones del transductor.

(9) Factor de calidad mecánica QM y factor de calidad eléctrica QE-En aplicaciones prácticas, si los valores de QM y QE son grandes, habrá un fenómeno de \"zumbido\", lo que resultará en la distorsión de la forma de onda y la resolución reducida, lo que no es propicio para detección. La situación surge. Por lo tanto, a partir de las necesidades de la tecnología de detección, para reflejar verdaderamente las características de la señal ECHO y garantizar que la resolución de detección cumpla con los requisitos de detección, generalmente no se espera que sean demasiado grandes. Además de tener en cuenta al seleccionar materiales, cuándo está diseñando y fabricando transductores, frecuentes, los valores de QM y QE deben reducirse adecuadamente al aumentar la amortiguación en la estructura y cambiar la impedancia en el circuito. Por supuesto, la reducción de los valores de QM y QE viene a expensas de la sensibilidad (potencia de salida reducida). Por lo tanto, el valor Q apropiado debe seleccionarse y ajustarse de acuerdo con las necesidades de la aplicación real (de acuerdo con la experiencia, el valor q real del transductor de detección de ultrasonidos no debe ser mayor que 10).

(10) Rendimiento de envejecimiento de materiales piezoeléctricos.Tubo de cilindro piezocerámico-Las propiedades piezoeléctricas de los materiales piezoeléctricos polarizados tendrán cambios irreversibles con el tiempo. Este fenómeno se llama \"Envejecimiento \", como constante dieléctrica, pérdidas dieléctricas, constantes piezoeléctricos, coeficientes de acoplamiento electromecánica y la elasticidad generalmente disminuyen con el tiempo, y las constantes de frecuencia y los valores mecánicos q aumentan con el tiempo. El cambio de estos parámetros es básicamente lineal con el valor logarítmico del tiempo. Generalmente se considera como una unidad de diez años, que se llama \"envejecimiento de diez años\". Obviamente, este índice refleja la estabilidad del tiempo de los materiales piezoeléctricos. Al hacer transductores piezoeléctricos, también se debe considerar la debida consideración a la selección de materiales con una mejor estabilidad del tiempo. En un transductor ultrasónico específico, este fenómeno de envejecimiento se manifestará específicamente en la sensibilidad, la ocupación de onda inicial y el nivel de ruido eléctrico. Por lo tanto, la atención también debe pagarse al efecto del envejecimiento en la compra y almacenamiento del transductor.

(11) Estabilidad térmica de materiales piezoeléctricos: esto se refiere a las propiedades piezoeléctricas de los materiales piezoeléctricos que son constantes o no degradados después de un período de operación continua en un cierto rango de temperatura por debajo del punto de curie, especialmente para entornos de alta temperatura. El transductor de trabajo Debe seleccionarse de materiales con buena estabilidad térmica.
Los 11 elementos anteriores son las principales consideraciones y principios de selección cuando elegimos materiales piezoeléctricos para realizar transductores de pruebas ultrasónicas. Debemos considerar y seleccionar de manera comparable de acuerdo con la aplicación y las necesidades específicas.