yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->1.3.2. П’єзоелектричний ефект. Природа та штучні п’єзоелектипчні перетворювачі. Поняття о робочій частоті п’єзопластини

Ультразвукові дифекти

1.3.2. П’єзоелектричний ефект. Природа та штучні п’єзоелектипчні перетворювачі. Поняття о робочій частоті п’єзопластини

П'єзоелектричний ефект. П'єзоелектричною називається речовина, на поверхні якого при деформації під дією зовнішнього механічного тиску виникають електричні заряди. Дослідження п'єзоефекту показали, що він пояснюється властивостями елементарного осередку структури матеріалу, з якої шляхом її (осередки) багатократного повторення можна отримати макроскопічний кристал. У природі є порівняно велике число п’єзоматеріалів, проте лише деякі з них придатні для практичного застосування.

Для випромінювання звуку використовується зворотний п'єзоефект. Для цього до пластини по осі поляризації (по товщині) прикладається змінна напруга, яка викликає (унаслідок зворотного п'єзоефекту) відповідну зміну товщини пластини. Якщо у контакті з пластиною знаходиться речовина, яка перешкоджає цій зміні, то пластина передасть на нього зусилля, пропорційне прикладеній електричній напрузі. У разі додатку змінного тиску в речовині збуджується змінний тиск, таким чином, пластина випромінює в речовину, з якою вона контактує, подовжню хвилю. Форма хвилі залежатиме від частоти прикладеної напруги, розмірів п’єзопластини, а також від акустичних властивостей речовини, що контактує з пластиною.

Строго кажучи, п’єзопластина не є ідеальним випромінювачем, оскільки вона випробовує деформації не тільки по осі поляризації, але і по інших напрямах. Тому пластина разом з подовжньою хвилею випромінює і поперечні хвилі, якщо вона наклеєна на тверде тіло. Проте амплітуда поперечних хвиль в порівнянні з подовжньою незначна, тому надалі розглядатимемо перетворювачі з коливаннями тільки по товщині без інших змін форми.

Ефективність п'єзоелектричної речовини характеризується коефіцієнтом перетворення електричної енергії в механічну і навпаки. Коефіцієнтом перетворення при прийомі називають відношення амплітуди порушуваних на електродах електричних сигналів до амплітуди акустичних коливань падаючої хвилі. Цей коефіцієнт назад пропорційний діелектричній проникності п’єзокераміки, з якої зроблена пластина, оскільки вона визначає електричну ємкість пластини. Коефіцієнтом перетворення при випромінюванні називають відношення амплітуди порушуваних акустичних коливань до амплітуди збудливої електричної напруги. Важливим параметром є коефіцієнт подвійного перетворення, який характеризує даний п'єзоелектричний матеріал. Цей коефіцієнт ще називають коефіцієнтом електромеханічного зв'язку. Він визначається відношенням амплітуди електричної напруги на приймачі до амплітуди напруги на випромінювачі без урахування втрат ультразвуку при розповсюдженні між випромінювачем і приймачем. Наприклад, для титанату барія коефіцієнт дійного перетворення складає 0,11, тобто на приймачі не можна отримати напругу, що становить 11% від напруги на випромінювачі.

Збудження і прийом пружних хвиль здійснюють шляхом перетворення електричних коливань в акустичних і потім назад акустичних в електричних за допомогою невеликого пристрою - перетворювача. Він підключається до дефектоскопа гнучким коаксіальним кабелем, що має провідник в центрі і обплетення, що екранує його.

Як правило, використовують п'єзоелектричні перетворювачі (п’єзоперетворювачі або ПЕП), в яких чутливий елемент, - п’єзопластина. На неї подають електричні коливання від генератора дефектоскопа і під їх дією вона розширюється і стискається по товщині (рис. 6 а). Прийом відбувається за рахунок зворотного перетворення механічних коливань в електричні. Зсуви граней пластини, показані на малюнку, перебільшені. Насправді змішення не перевершують десятитисячної частки мм (10-4мм). Перетворювач з такою пластиною притискують до поверхні вироби через шар контактної рідини. В результаті у виробі виникають подовжні хвилі, направлені під прямим кутом до поверхні, тому такий перетворювач називають прямим.

 

Рисунок 6 - Робота п’езопластіни

 

Щоб порушити поперечні хвилі, можна змусити поверхні п’єзопластини коливатися в напрямах, перпендикулярних цій товщині, тобто здійснювати сдвигові коливання (рис. 6, б), але такі коливання важко передати в ОК: поверхня пластини прослизатиме щодо поверхні ОК і звичайна контактна рідина передати коливання не допоможе. Перетворювач з такою пластиною приклеюють до поверхні ОК або використовують дуже в'язку контактну рідину.

У УЗ дефектоскопії застосовують зручніший спосіб збудження поперечних хвиль. Подовжню хвилю порушують в проміжному середовищі - призмі (чаші всього з плексигласу або іншої пластмаси) і направляють на поверхню ОК похило. Кут падіння вибирають між першим і другим критичними значеннями. В результаті у виробі розповсюджується до поверхні поперечна хвиля. Такий перетворювач називають похилим.

Якщо коливання в пластині порушити короткою електричною дією, а потім надати їй можливість коливатися вільно то коливання відбуватимуться на власній частоті , яку часто не цілком правильно називали резонансною. Вона відповідає півхвильовій товщині пластини , тобто рівній половині довжини хвилі в її матеріалі: .

З цього видно, що чим вище власна частота, тим тонше повинна бути пластина. Під впливом елементів, що контактують з пластиною, ця частота трохи змінюється. Частоту, яку порушує перетворювач, називають його робочою частотою. Наприклад, в пластині з цирконату-титанату свинцю (ЦТС) швидкість с = 3,3мм/мкс, тому на частоті 2,5МГц вона повинна мати товщину =3.3/2,5 = 0,66мм, а на частоті 5МГц - 0,33мм.

Акустичною віссю суміщеного прямого перетворювача називають геометричну вісь п’єзопластини ОА. Для похилого перетворювача так само називають продовження геометричної вісі в призмі ОllО в виріб ОlВ після її заломлення на межі ОК. При малій товщині контактної рідини вона практично співпаде з точкою введення Оl, де акустична вісь в виробі ОlВ пересікається з поверхнею ОК. Кутом нахилу акустичної вісі  називають кут між нею і перпендикуляром до поверхні введення. Кут між перпендикулярам контактуючої поверхні перетворювача і геометричної вісі в призмі називають кутом призми. Відстань OD – стріла ПЕП. Фокусом РС перетворювача С (рис. 7, в) називають точку перетину акустичних висей випромінювача і приймача в ОК. Трошки вище її знаходиться максимум чутливості.

б

 

в

 

а

 

Рисунок 7 - Схеми основних типів ПЕП: а - прямого; б - похилого,    в - роздільно-суміщені (РС).

 

Основні елементи: 1 – п’єзопластина або п’єзоелемент; 2 – демпфер, до якого приклеюється невипромінююча в ОК сторона п’єзопластини і який сприяє гасінню коливань для отримання короткого імпульсу; 3 - протектор, оберігаючий п’єзопластину від пошкоджень; 4 - заломлююча призма; 5,6 - призм РС перетворювача.

 

П'єзоелектричні матеріали. Для збудження і прийому ультразвуку в практиці контролю найчастіше застосовують п'єзоелектричну кераміку: титанат барія, цирконат-титанат свинцю (ЦТС), титанат свинцю, метаніобат свинцю і ніобат барії і натрію.

П'єзоелектричні монокристали, наприклад кварц, сульфат літію, ніобат літію, оксид цинку, йодна кислота застосовуються в ультразвуковому контролі тільки в окремих випадках. Кварц, старий п'єзоелектричний матеріал, із-за низького коефіцієнта зв'язку в даний час практично не застосовується. Сульфат і ніобат літію в деяких спеціальних випадках мають перевагу перед керамікою.

Кераміки ЦТС і титанат барії є якнайкращим матеріалом для випромінювачів, оскільки мають найбільший коефіцієнт електромеханічного зв'язку.

Метаніобат свинцю має низьку механічну добротність (Q=15), тому для багатьох цілей контролю ця кераміка може застосовуватися без додаткового демпфування, що, у свою чергу, підвищує чутливість приймача. Ще однією важливою перевагою метаніобата свинцю, а також сульфату літію, є малий коефіцієнт зв'язку для коливань в площині пластини в порівнянні з коефіцієнтом зв'язку для коливань по товщині. Тому в цих матеріалах радіальні коливання затухають досить швидко, що дозволяє порушувати дуже короткі імпульси.

З урахуванням вищесказаного, метаніобат свинцю є найбільш переважним матеріалом для ехо-імпульсного контролю. Недоліком метаніобата свинцю є низька швидкість звуку, тому пластини з цієї кераміки, призначені для роботи на високій частоті, повинні бути дуже тонкими і, відповідно, будуть крихкими.

 

7