Uvod in načelo pretvornikov
Uvod v ultrazvočne pretvornike:
Transduktor je elektronska naprava, ki energijo pretvori iz ene oblike v drugo. Proces pretvorbe energije iz ene oblike v drugo se imenuje transdukcija.
Ultrazvočni pretvorniki pretvorijo električni izhod vira napajanja v vibracijski izhod. To elektromehansko pretvorbo lahko dosežemo s piezoelektrično keramiko (kot je prikazano na spodnji sliki) ali magnetostriktivnimi materiali. Piezoelektrična keramika je jedro pretvornikov.
Zahteve senzorja bodo odvisne od aplikacije. Številne zahteve bodo med seboj v nasprotju in jim bodo dodelile različne prednostne naloge. Zato ni nabora smernic, ki bi lahko zajemale vse zahteve, in obstaja veliko različnih metod za dosego istega cilja.
Z analitičnega vidika je mogoče uspešnost pretvornika predvideti le na splošno. To je zato, ker so značilnosti piezoelektrične keramike pogosto zelo odvisne od delovnih pogojev, vključno s temperaturo, močjo električnega polja, statičnim tlačnim prednapomnikom, dinamičnim stresom, številom ciklov obremenitve in časa. Ti delovni pogoji lahko vplivajo drug na drugega, vpliv teh pogojev pa je običajno nelinearni. Poleg tega so številne značilnosti piezoelektrične keramike ortotropne in se lahko razlikujejo med posamezno piezoelektrično keramiko in med piezoelektrično keramično serijo. Poleg tega je lahko interakcije na različnih komponentnih vmesnikih (na primer na niti) težko opisati in konvektivni koeficient prenosa toplote, ki se uporablja za zračno hlajenje, lahko le približno ocenimo. Zato večina procesov oblikovanja vključuje eksperimentalno testiranje.
Delovno načelo ultrazvočnega pretvornika:
Ultrazvočne pretvornike lahko razdelimo na oddajnike, sprejemnike in oddajnike v skladu na električne signale na frekvencah blizu delovne frekvence, kot je prikazano na sliki 2, da se optimizira učinkovitost prenosa. Nasprotno, proti resonančna frekvenca (FA) sprejemnika je zasnovana tako, da je blizu prejeti ultrazvočni frekvenci, kot je prikazano na sliki 3, da se optimizira učinkovitost sprejemna. Delovna frekvenca oddajnika je zasnovana med resonančno frekvenco (FR) in proti resonančno frekvenco (FA) oddajnika, kot je prikazano na sliki 4. Višja je delovna frekvenca pretvornika, boljša je ločljivost, vendar je krajša območje zaznavanja.
Da se ustvarjeni ultrazvočni valovi učinkovito prenašajo iz piezoelektrične keramike na predmete ali tekočine (na primer v zraku ali vodi), se mora akustična impedanca med piezoelektrično keramiko in predmeti ali tekočinami ujemati s pomočjo akustičnega ujemajočega se plasti. Značilnosti zvočne hitrosti in akustične impedance so naslednje:
Kot primer jemljete ultrazvočne pretvornike zraka, akustična impedanca piezoelektrične keramike je približno 35 mrayla (106 kg/m2 ∙ s), medtem ko je akustična impedanca zraka tako nizka približno 414 rayl (kg/m2 ∙ s). Zato akustična ujemajoča se plast postane bistvena sestavina ultrazvočnih pretvornikov, nameščenih med piezoelektrično keramiko in zrakom, da se ujema z njihovo akustično impedanco in učinkovito prenaša ultrazvočno energijo v zrak.
Idealna vrednost akustične impedance za ujemajočo se plast ultrazvočnega pretvornika zraka je Rayl, približno 0. 122 MRAYL, vendar je težko najti materiale z akustično impedanco, nižjo od 1 mrayla in trajnosti. Trenutno je pogosto uporabljen akustični material za ujemanje plasti sestavljen material iz polimerne matrice in votlega prahu za doseganje nižje akustične impedance in razumne zanesljivosti. Glede na aplikacijo lahko ultrazvočne pretvornike uporabimo v načinu sprejemanja oddajna ali v načinu sprejemanja oddajanja. Treba je opozoriti, da imajo ultrazvočni pretvorniki lastnosti zvonjenja. Pri oblikovanju ultrazvočnih pretvornikov za merjenje bližine zvonjenje omejuje minimalno razdaljo zaznavanja. Na splošno se za hitro obnovitev ultrazvočnega pretvornika v statičnem stanju in zmanjšanju zvonjenja uporablja plast dušenja in zmanjšanje zvonjenja.
Struktura ultrazvočnih pretvornikov:
Ultrazvočni piezoelektrični pretvornik obsega ohišje: ujemajoč se plast ali zvočno okno, piezoelektrično keramiko, podpor in odhodni kabel, vključno s sprejemnikom cimbal, sestavljen iz odhodnih žic, 8-16 pretvorniki cimbal, kovine in gumične garke; Prejemnik Cymbal Matric je nameščen nad diskovnim piezoelektričnim pretvornikom 3; Z uporabo piezoelektričnega pretvornika keramičnega diska kot osnovnega ultrazvočnega piezoelektričnega pretvornika, ki oddaja in prejema ultrazvočne signale; Sprejemnik matrike Cymbal se nahaja na disk piezoelektričnem pretvorniku in služi kot ultrazvočni sprejemnik za sprejem dopplerskih odmevnih signalov zunaj frekvenčnega pasu diskovnega pretvornika. Primerno za ultrazvočno opremo.
Kako izbrati pretvornik:
1. Pretvornik mora imeti visoko vhodno impedanco in nizko izhodno impedanco, da se izognemo učinkom obremenitve.
2. Pretvornik mora biti zelo občutljiv na želeni signal in neobčutljiv na neželene signale.
3. Pretvornik mora imeti možnost delovanja v jedkovalnih okoljih.
4. Pretvorni vezje mora imeti zaščito pred preobremenitvijo, da se prenese preobremeni.
