Параметры пьезоэлектрических материалов и пьезоэлектрических уравнений (3)

(11) Механический коэффициент качества QM

КогдаМатериал PZT Пьезой керамикаиспользуется для резонансной вибрации, необходимо преодолеть внутреннюю потерю механического трения (внутреннее потребление), и когда есть нагрузка, необходимо преодолеть потерю внешней нагрузки. Механический коэффициент качества QMO (значение Q без нагрузки) связано с этими механическими потерями. И QM (механическое значение Q под нагрузкой). Он определяется как: QM = механическая энергия, хранящаяся пьезоэлектрическим вибратором при резонансе / механической энергии, потерянной в течение резонанса. Он отражает количество энергии, потребляемой пьезоэлектрическим телом, чтобы преодолеть механическую потерю при вибрировании. Большая QM означает меньшую потерю энергии. Существование QM также указывает на то, что для пьезоэлектрического материала невозможно использовать всю входную механическую энергию для выхода. При резонансе: QM = (π / 2) [ZC / (ZL-ZB)], где ZC является акустическим импедансом пьезоэлектрического вибратора; ZL является акустическим импедансом нагрузки; ZB - это демпфирующий блок в пьезоэлектрическом акустическом импедансе. Для пьезоэлектрического преобразователя его QM и QE не являются постоянными. Они связаны с рабочей частотой, частотой полосы пропускания, производственным процессом, структурой и излучением (нагрузкой) пьезоэлектрического преобразователя. На пьезоэлектрическом преобразователе, используемом в технологии ультразвукового обнаружения, когда QM слишком высок, легко сделать форму вибрации, генерируемую вибратором слишком долго (явление звонка), что приводит к искажению формы волны и более низкому разрешению. Точно так же QE не больше и больше. Выбор и определение QM и QE должны быть определены в соответствии с фактическими потребностями. Большое значение Q означает, что энергопотребление мало во время пьезоэлектрического эффекта. Это может уменьшить количество тепла, генерируемого в случае мощных и высокочастотных применений или чистого применения электропередачи, что является преимуществом. Однако для преобразователя целей обнаружения большое значение Q является невыгодным для расширения полосы частот, улучшения формы волны и увеличения разрешения. Кроме того, поскольку значение Q также изменяется с характером нагрузки (например, нагрузочная среда, с которыми сталкивается водный погружение зонда, и зонд метода контакта отличается датчик (радиационный импеданс).

(12) Коэффициент электромеханической связи k
Это важный параметр для изучения пьезоэлектрических материалов с точки зрения энергии. Его определение заключается во время положительного пьезоэлектрического эффекта, внешнее напряжение e = 0, и есть: K2 = электрическая энергия, хранящаяся в пьезоэлектрическом теле в идеальных условиях. Слова: K2 = преобразованная механическая энергия, которая заставляет заряд перемещаться между подключенными электродами / входной механической энергией, которая следует за приложенным напряжением, внешнее напряжение τ во время обратного пьезоэлектрического эффекта = 0, да: K2 = механическая энергия, хранящаяся в Пьезоэлектрическое тело в идеальных условиях / общая электрическая энергия ввода в пьезоэлектрическое тело в идеальных условиях или: k2 = преобразованная электрическая энергия, вызывая механическую деформацию / входную электрическую энергию при давлении транзисторы имеют эластичность, диэлектричность и пьезоэлектричность одновременно, и они работают вместе. По этой причине необходимо ввести эту физическую величину, чтобы просмотреть эти характеристики единым образом, что указывает на степень прочности связи между механической энергией и электрической энергией. В физическом смысле он только описывает преобразование и не является равной эффективностью, и преобразованная энергия не может быть полностью преобразована в излучаемую или выходную энергию (включая внутреннее потребление и обратную связь и т. Д.). Конечно, в некотором смысле, можно также сказать, что коэффициент электромеханической связи k представляет собой \"эффективность \" пьезоэлектрического корпуса, преобразующего электрическую энергию в упругую энергию или преобразование упругих энергии в электрическую энергию. Это в основном определяется типом пьезоэлектрического материала. Это также зависит от режима вибрации пьезоэлектрического тела, но не имеет ничего общего со значением резонансной частоты датчика. Кроме того, значение k также зависит от структуры пьезоэлектрического преобразователя, условий работы, а также размера и положения электрода пьезоэлектрического тела. Мы можем разделить плотность энергии U (энергия в единичном объеме) пьезоэлектрических материалов на три части, одной из них является упругая плотность энергии, одним из них является плотность энергии электрического поля (плотность диэлектрической энергии), а одним является пьезоэлектрическое развязки. и элементы магнитной энергии).

Первая часть здесь-механическая часть материала-механической эластичной энергии, вторая частьПьезоцерамическое кольцо компонентыявляется энергией электрического частично электрического поля, а третья часть-плотность энергии взаимодействия между упругой энергией и диэлектрической энергией. Общая внутренняя энергия: u = ue + ud + 2um. Учитывая, что пьезоэлектрическая энергия является взаимозаменяемой энергией, она удвоится. Следовательно, мы можем определить коэффициент электромеханической связи по -другому: k = um / (uud) 1/2. Или: k = среднее геометрическое значение пьезоэлектрической энергии / упругой энергии и диэлектрической энергии. Причиной выбора среднего геометрического значения упругой энергии и диэлектрической энергии является рассмотрение неравномерного распределения энергии каждой крошечной части пьезоэлектрического кристалла. Таким образом, мы можем сказать, что соотношение энергии, которая может быть пьезоэлектрически преобразована в единичном объеме пьезоэлектрического материала, является коэффициентом электромеханической связи. Например, UD и UE не могут быть пьезоэлектрически преобразованы, но это не потеря энергии. Для конкретных материалов, таких как кварц, потеря энергии невелика, а эффективность преобразования очень высока, но его электромеханическая коэффициент связи ниже, чем у пьезоэлектрической керамики, в то время как эффективность преобразования пьезоэлектрической керамики не высока. Большая часть может быть пьезоэлектрически преобразована, что означает, что его электромеханический коэффициент связи высок. Отсюда мы можем распознать разницу между коэффициентом электромеханической связи и эффективностью. Коэффициент электромеханической связи представляет собой отношение энергии, безразмерного, а его максимальное значение составляет 1, когда k = 0, это означает, что пьезоэлектрический эффект не происходит. Общие коэффициенты электромеханической связи следующие:

(1) Коэффициент электромеханической связи KP для радиальной вибрации (также известного как плоский коэффициент электромеханической связи): отражает эффект электромеханической связи тонкой дискообразной пьезоэлектрической кристаллы, когда он подвергается радиальной телескопической вибрации, при условии, что диаметр вафера ≥3, когда диаметр вафера ≥3 является ≥3. Время толщины пластины T, направление его толщины - это направление поляризации и направление приложенного электрического поля.

(2) Поперечная вибрация (вибрация поперечной длины) Электромеханический коэффициент связи K31 отражает эффект электромеханического соединения, когда пьезоэлектрический кристалл длинного листа с направлением толщины, когда направление поляризации растягивается и сжимается в направлении длины, при условии, что длина листа. равен L≥3 раза. Ширина и толщина хлопьев.

(3) Коэффициент электромеханической связи K33 продольной вибрации (вибрация продольной длины): отражает электромеханический эффект связи телескопической вибрации вдоль направления длины, когда тонкое пьезоэлектрическое кристалл поляризован поляризованным в направлении электрического поля, а направление электрического поля То же, что и направление поляризации. Состояние представляет собой ширину стержня и толщина или диаметр с длиной L≥3 раз.

(4) Коэффициент электромеханической связи KT Вибрации толщины: отражает эффект электромеханического соединения пьезоэлектрических кристаллов листовых пьезоэлектрических кристаллов в направлении толщины, а направление электрического поля также находится в направлении толщины. Условие состоит в том, что толщина пластины меньше длины боковой или диаметра пластины.

(5) Коэффициент электромеханической связи с толщиной вибрацией сдвига K15: отражает эффект электромеханической связи толщиной вибрации сдвига пьезоэлектрического кристалла.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что основные принципы отбора при выборе пьезоэлектрических материалов для пьезоэлектрических преобразователей в практических применениях ультразвукового тестирования следующие: (1) тем больше значение D33-D33, тем лучше производительность излучения. Анкет Очевидно, что когда делает передающий датчик, лучше выбрать материал со значением D33 как можно большим; (2) Чем больше значение g33-g33, тем лучше полученная производительность. Очевидно, что если вы хотите сделать приемный преобразователь, вам следует выбрать материал с большим значением G33, насколько это возможно; Когда вам нужно сделать преобразователь, который объединяет как передачу, так и прием, в качестве всестороннего рассмотрения, вы должны также выбрать значение, близкое к D33 и G33. (3) Акустический импеданс z (z = ρc)-Соглашение о том, что отражательная способность и коэффициент ультразвуковых волн связаны с разницей в акустическом сопротивлении между средой. Меньшая разница в акустическом импедансе - это более высокое ультразвуковое коэффициент. Чтобы сделать как можно больше ультразвуковых волн из пьезоэлектрического преобразователя, входит в испытательную среду, следует выбрать пьезоэлектрический материал, акустический импеданс которого как можно ближе к акустическому импедансу контактной среды. Следует отметить, что существование электрического поля повлияет на очевидную скорость звука в пьезоэлектрическом материале, и даже акустическое сопротивление пьезоэлектрического материала изменится в рабочем состоянии. (4) Коэффициент электромеханической связи KT VIBRATION VIBLONGE В УЗИ. выше. (5) Коэффициент электромеханической связи KP радиальной вибрации-когда пьезоэлектрический чип выполняет вибрацию толщины, в то же время наблюдается радиальная вибрация, которая будет мешать вибрации толщины и вызывает искажение формы волны, увеличение или увеличение шума и т. Д. Есть надежда, что значение КП должно быть как можно меньше. В целом, чем больше значение KT / KP, тем лучше.

(6) Диэлектрическая постоянная ε - пьезоэлектрическая пластина образует конденсатор после покрытия электродов, и его емкость соответствует C = εa / T, то есть диэлектрической проницаемости, относительной области A электродов и расстояние электродов и интернаты электродов и расстояние электродов. (толщина пластины) T Связано. В схеме небольшая емкость означает большое емкостное реактивное сопротивление, которое подходит для использования в качестве высокочастотного пьезоэлектрического элемента. В частности, ультразвуковой датчик обнаружения в основном работает в диапазоне частот мегахерца, поэтому необходимо меньше ε пьезоэлектрического материала. И наоборот, при использовании низкочастотных пьезоэлектрических компонентов (таких как динамики и микрофоны в диапазоне аудио), следует выбрать материал с большим ε для удовлетворения требований сопоставления большой емкости и низкого емкостного реактивного сопротивления. Следует отметить, что значение ε также связано с механической свободой преобразователя, то есть диэлектрические постоянные состояния механического зажима и механического свободного состояния различны, поэтому существуют различия между εE и ετ. Кроме того, взаимосвязь между ε и частотой также более чувствительна, поэтому значение ε должно быть фактически измерено при условии конкретной рабочей частоты. Это означает, что пьезоэлектрические пластины одинаковой толщины имеют более высокую частоту резонанса, или толщина пластины больше на той же частоте резонанса, что удобно для обработки и производства высокочастотных компонентов. Следовательно, необходимо выбрать материал с большим значением NT.

(8) Ферроэлектрическая точка CURIE TC-сегнетоэлектрический кристалл имеет только сегнетоэлектричность в определенном температурном диапазоне. Когда температура достигает сегнетоэлектрической точки Кюри, кристалл потеряет сегнетоэлектричность, а диэлектрические, пьезоэлектрические, оптические, упругие и тепловые свойства являются ненормальными. Большинство сегнетоэлектриков имеют только одну точку Кюри, но в нескольких сегнетоэлектрических точках есть верхняя и нижняя точки кюри, и они имеют сегнетоэлектричность только в диапазоне температур между верхними и нижними точками Кюри. Например, верхняя точка кюри цирконата цирконата титаната составляет 115-120 ° C, а нижняя точка Кюри составляет -5 ° C, если в титанат бария добавляется 5% титаната кальция, нижняя точка Кюри может достигать -40 ° C. Анкет Кроме того, у некоторых сегнетоэлектриков нет точки Curie, например, некоторых специальных полимерных пьезоэлектрических материалов (потому что они расплавились или даже сгорели, когда достигают определенной температуры).

Следует отметить, что, когда фактическая температура не достигла точки Кюри, производительность многих пьезоэлектрических преобразователей (таких как KT и т. Д.) значительно снизилась или ухудшилась (например, зонд титаната бария ухудшается при 60-70 ° C. Кроме того, самая высокая температура, при которой она может работать, не равна возможности выдерживать внезапные изменения температуры, что вызвано существованием анизотропии, включая коэффициент теплового расширения. Следовательно, в случае более высоких температур, таких как сварки электродов и нагрев во время заливания блока поглощения во время фактического использования датчика и процесса создания преобразователя при выборе пьезоэлектрического материала, следует уделять особое внимание работе Условия преобразователя.

(9) Механический коэффициент качества QM и коэффициент качества электрического качества QE-In Практические применения, если значения QM и QE велики, будет явление \" обнаружение. Ситуация возникает. Следовательно, начиная с потребностей технологии обнаружения, чтобы по -настоящему отражать характеристики сигнала ECHO и убедиться, что разрешение обнаружения соответствует требованиям обнаружения, QM и QE, как правило, не будут слишком большими. В дополнение к принятию во внимание при выборе материалов, когда он проектирует и производит преобразователи, частота, значения QM и QE должны быть надлежащим образом уменьшены путем увеличения демпфирования на структуре и изменения импеданса на цепи. Конечно, снижение значений QM и QE происходит за счет чувствительности (уменьшенная выходная мощность). Следовательно, соответствующее значение Q должно быть выбрано и скорректировано в соответствии с потребностями фактического применения (в соответствии с опытом фактическое значение Q ультразвукового датчика обнаружения не должно быть более 10).

(10) Старение пьезоэлектрических материаловПьезокерамическая цилиндрическая трубка-Пьезоэлектрические свойства поляризованных пьезоэлектрических материалов будут иметь необратимые изменения со временем. Это явление называется \ «старение \», такое как диэлектрическая постоянная, диэлектрические потери, пьезоэлектрические константы, коэффициенты электромеханической связи и эластичность обычно уменьшаются со временем, а частотные постоянные и механические значения Q со временем увеличиваются. Изменение этих параметров в основном линейно с логарифмическим значением времени. Обычно он рассматривается как единица десяти лет, которая называется десятилетним старением \ ». Очевидно, что этот индекс отражает временную стабильность пьезоэлектрических материалов. При изготовлении пьезоэлектрических преобразователей также следует учитывать при выборе материалов с лучшей стабильностью времени. На конкретном ультразвуковом преобразователе это явление старения будет специально проявляться в чувствительности, начальном волновом занятии и уровне электрического шума. Следовательно, внимание также следует уделять влиянию старения на покупку и хранение датчика.

(11) Термическая стабильность пьезоэлектрических материалов-это относится к пьезоэлектрическим свойствам пьезоэлектрических материалов, которые являются постоянными или не разгражденными после периода непрерывной работы в определенном температурном диапазоне ниже точки CURIE, особенно для среды высокой температуры. следует выбрать из материалов с хорошей тепловой стабильностью.
Приведенные выше 11 элементов являются основными соображениями и принципами выбора, когда мы выбираем пьезоэлектрические материалы для создания ультразвуковых преобразователей. Мы должны всесторонне рассмотреть и выбирать надлежащим образом в соответствии с конкретным приложением и потребностями.