Uvod i princip pretvarača
Uvod u ultrazvučne pretvarače:
Pretvarač je elektronički uređaj koji energiju pretvara iz jednog oblika u drugi. Proces pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi naziva se transdukcija.
Ultrazvučni pretvarači pretvaraju električni izlaz izvora napajanja u vibracijski izlaz. Ova elektromehanička pretvorba može se postići piezoelektričnom keramikom (kao što je prikazano na slici ispod) ili magnetostriktivnim materijalima. Piezoelektrična keramika jezgra su pretvarača.
Zahtjevi senzora ovisit će o prijavi. Mnogi će se zahtjevi međusobno sukobljavati i dobiti će im različite prioritete. Stoga ne postoji skup smjernica koje mogu pokriti sve zahtjeve, a postoji mnogo različitih metoda za postizanje istog cilja.
Iz analitičke perspektive, performanse pretvarača može se predvidjeti samo na opći način. To je zato što su karakteristike piezoelektrične keramike često vrlo ovisne o radnim uvjetima, uključujući temperaturu, čvrstoću električnog polja, statički privremeni predpresit, dinamički stres, broj ciklusa opterećenja i vrijeme. Ovi radni uvjeti mogu utjecati jedni na druge, a utjecaj ovih uvjeta obično je nelinearni. Pored toga, mnoge karakteristike piezoelektrične keramike su ortotropne i mogu se razlikovati između pojedinačne piezoelektrične keramike i između piezoelektričnih keramičkih serija. Pored toga, interakcije na različitim komponentnim sučeljima (poput navoja) mogu biti teško okarakterizirati, a koeficijent konvektivnog prijenosa topline koji se koristi za hlađenje zraka može se procijeniti samo približno. Stoga većina dizajnerskog procesa uključuje eksperimentalno testiranje.
Princip rada ultrazvučnog pretvarača:
Ultrazvučni pretvarači mogu se podijeliti na odašiljače, prijemnike i primopredajnike u skladu s njihovim funkcijama, kao što je prikazano na slici 1. Uzimanje rada pretvarača na 40 kHz, kao primjer, rezonantna frekvencija (FR) odašiljača dizajnirana je za primjenu da se primijeni do električnih signala na frekvencijama blizu radne frekvencije, kao što je prikazano na slici 2, kako bi se optimizirala učinkovitost prijenosa. Suprotno tome, anti rezonantna frekvencija (FA) prijemnika dizajnirana je tako da je blizu primljene ultrazvučne frekvencije, kao što je prikazano na slici 3, kako bi se optimizirala učinkovitost prijema. Radna frekvencija primopredajnika dizajnirana je između rezonantne frekvencije (FR) i anti rezonantne frekvencije (FA) primopredajnika, kao što je prikazano na slici 4. što je veća radna frekvencija pretvarača, to je bolja razlučivost, ali kraća je kraća Raspon otkrivanja.
Da bi se generirani ultrazvučni valovi učinkovito prenijeli iz piezoelektrične keramike na predmete ili tekućine (poput zraka ili vode), akustična impedancija između piezoelektrične keramike i predmeta ili fluida mora se uskladiti kroz akustični sloj podudaranja. Karakteristike zvuka i akustične impedance uobičajenih tvari su sljedeće:
Uzimanje ultrazvučnih pretvarača zraka kao primjer, akustična impedancija piezoelektrične keramike iznosi oko 35 MRAYL (106 kg/m2 ∙ s), dok je akustička impedancija zraka niska oko 414 Rayl (KG/M2 ∙ S). Stoga, akustični sloj podudaranja postaje bitna komponenta ultrazvučnih pretvarača, smještenih između piezoelektrične keramike i zraka kako bi odgovarao njihovoj akustičkoj impedanciji i učinkovito prenosio ultrazvučnu energiju u zrak.
Idealna vrijednost akustične impedance za odgovarajući sloj ultrazvučnog pretvarača zraka je Rayl, približno 0. 122 MRayl, ali je teško pronaći materijale s akustičnom impedancijom nižom od 1 Mrayl i trajnosti. Trenutno je najčešće korišteni materijal za akustični odgovarajući sloj složeni materijal izrađen od polimerne matrice i šupljeg praha kako bi se postigla niža akustička impedancija i razumna pouzdanost. Prema aplikaciji, ultrazvučni pretvarači mogu se koristiti ili u načinu prijemnog prijenosa ili načinu primanja prijenosa. Treba napomenuti da ultrazvučni pretvarači inherentno imaju karakteristike zvona. Prilikom dizajniranja ultrazvučnih pretvarača za mjerenje blizine, zvona ograničava minimalnu udaljenost otkrivanja. Općenito, sloj prigušivanja koristi se za brzo vraćanje ultrazvučnog pretvarača u statičko stanje i smanjenje zvona.
Struktura ultrazvučnih pretvarača:
Ultrazvučni piezoelektrični pretvarač sastoji se od kućišta: odgovarajući sloj ili zvučni prozor, piezoelektrična keramika, podlogu i odlazni kabel, uključujući prijemnik za cimbal, koji se sastoji od odlaznih žica, 8-16 Cymbal Transducers; Prijemnik cimbalnog niza nalazi se iznad diska piezoelektričnog pretvarača 3; Korištenje piezoelektričnog keramičkog pretvarača kao osnovni ultrazvučni piezoelektrični pretvarač, prijenos i primanje ultrazvučnih signala; Prijemnik Cymbal Array nalazi se na piezoelektričnom diskovu i služi kao ultrazvučni prijemnik za primanje Doppler Echo signala izvan frekvencijskog pojasa pretvarača diska. Pogodno za ultrazvučnu opremu.
Kako odabrati pretvarač:
1. Pretvarač bi trebao imati visoku ulaznu impedanciju i nisku izlaznu impedansu kako bi se izbjegli učinci opterećenja.
2. Pretvarač treba biti vrlo osjetljiv na željeni signal i neosjetljiv na neželjene signale.
3. Transducer bi trebao biti u mogućnosti djelovati u korozivnim okruženjima.
4. krug pretvarača trebao bi imati zaštitu preopterećenja da izdrži preopterećenje.
