Материаловедение

Комбинированное применение прямого и обратного пьезоэффектов

Комбинированное применение пьезопреобразователей, работающих в режимах как прямого, так и обратного пьезоэффекта, получило широкое распространение в локационной технике, дефектоскопии, медицинской диагностике, а также при изготовлении кварцевых генераторов и пьезотрансформаторов.

Ультразвуковой (УЗ) локатор представляет собой устройство, состоящее из излучателя и связанного с ним приёмника ультразвука. Излучатель через определённые промежутки времени посылает короткие ультразвуковые сигналы. Эти сигналы распространяются по определенному направлению, пока не встретят на своём пути какого-либо препятствия. Натолкнувшись на него, они отражаются и частично возвращаются обратно к излучателю, как возвращается к нам эхо. Зная скорость распространения ультразвука и время, прошедшее от момента посылки сигнала до его возвращения, можно рассчитать расстояние до предмета, отразившего ультразвук.

В 1917 г. французский математик и физик П. Ланжевен впервые предложил использовать ультразвуковой локационный прибор на основе применения пьезоэффекта. Дальнейшее его усовершенствование привело к созданию современных ультразвуковых локаторов, предназначенных для обнаружения подводных объектов. Такие локаторы обычно устанавливаются на кораблях. С их помощью определяются глубины морей и океанов, обнаруживаются мели, рифы, другие опасные для плавания места. На рыболовецких судах локаторы помогают отыскивать косяк рыбы. В военное время они служат для обнаружения неприятельских подводных лодок и мин.

По принципу ультразвуковых локаторов действуют ультразвуковые уровнемеры, в которых используется эффект отражения ультразвука от границы раздела жидкость – газ. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых волн от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. Локация уровня может проводиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Схема ультразвукового уровнемера с локацией уровня со стороны газа представлена на рис. 1.

Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний служит пьезоэлемент, размещенный в акустическом преобразователе 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает блок измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2(Н – h)/c, где с – скорость ультразвука в газе. Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на блок измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в электрический сигнал, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователь сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.

 Схема ультразвукового уровнемера

Рис. 1. Схема ультразвукового уровнемера: 1 – акустический преобразователь; 2 – генератор; 3 – усилитель; 4 – блок измерения времени; 5 – электронный преобразователь; 6 – вторичный прибор; 7 – блок температурной компенсации

В настоящее время выпускаются десятки типов ультразвуковых уровнемеров, предназначенных для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

В последние годы ультразвуковые локаторы начали использоваться в сельскохозяйственном машиностроении. Дело в том, что современные многорядные сеялки и многокорпусные плуги, имея большую ширину захвата, не могут обеспечить для каждого рабочего органа одинаковую глубину погружения в почву, поскольку поверхность поля не является идеально ровной. Ультразвуковой локатор на основе пьезокерамических преобразователей, установленный на оси подвеса сельхозмашины, может измерять расстояние до грунта и с помощью бортового компьютера подавать управляющий сигнал на исполнительные механизмы навесного устройства трактора. Благодаря этому плуг или высевающие органы поднимаются и опускаются синхронно с изменением рельефа, обеспечивая оптимальную глубину вспашки и заделки семян.

Принцип ультразвуковой локации лежит в основе методов поиска дефектов материалов (пор, включений, неоднородностей структуры и пр.) и контроля качества неразъемных соединений, получаемых путем сварки, пайки, склейки и пр. Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных изделий: деталей и узлов авиационных двигателей, трубопроводов атомных реакторов, железнодорожных рельсов.

В медицине широкое распространение получила ультразвуковая диагностика. Ультразвуковые колебания, введенные в тело пациента, отражаются от исследуемых тканей, крови, а также таких поверхностей, как границы между органами, и, возвращаясь в ультразвуковой сканер, обрабатываются и измеряются после их предварительной задержки для получения фокусированного изображения. Результирующие данные поступают на экран монитора, позволяя производить оценку состояния внутренних органов. С увеличением частоты генерируемых ультразвуковых колебаний улучшается разрешение изображения, но уменьшается глубины проникновения колебаний. Поэтому используемые в диагностической практике пьезодатчики с высокой частотой колебаний обеспечивают лучшее разрешение изображения при исследовании неглубоко расположенных тканей, так же как низкочастотные датчики позволяют обследовать более глубоко расположенные органы, уступая высокочастотным по качеству изображения.

Ультразвуковое исследование (УЗИ) играет большую роль в диагностике заболеваний различных внутренних органов: печени, желчного пузыря, поджелудочной железы, селезенки, почек, мочевого пузыря, предстательной железы и др. Важной разновидностью УЗИ является эхокардиография – ультразвуковая диагностика заболеваний сердца. С ее помощью оцениваются размеры сердца и его отдельных структур (желудочки, предсердия, межжелудочковая перегородка, толщина миокарда желудочков, предсердий и др.), состояние клапанов сердца, сократительная способность сердца и т.д.

Особой разновидностью устройств, работающих на основе одновременного использовании прямого и обратного пьезоэффектов, являются пьезоэлектрические резонаторы, которые представляют собой пьезопреобразователи с ярко выраженными резонансными свойствами вблизи собственных частот колебаний механической системы. Они применяются в полосовых фильтрах, обеспечивающих пропускание электрических сигналов в определенной полосе частот; линиях задержки, предназначенных для задержки электрических сигналов на определённый промежуток времени; преобразователях перемещения или присоединенной массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др.

Широко распространенным представителем таких устройств являются кварцевые генераторы (кварцевые резонаторы), которые используются во многих современных приборах, когда возникает необходимость получения электромагнитных колебаний фиксированной частоты. Кварцевые генераторы играют роль стандартов частоты – высокостабильных по частоте источников электромагнитных сигналов, которые применяются в качестве эталонов в метрологических измерениях, а также при производстве высокоточных средств измерений частоты и времени, в цифровой технике, радионавигации, радиоастрономии и других сферах. Наибольшее применение они получили в продукции массового потребления – кварцевых часах.

Принцип действия кварцевого генератора заключается в следующем. Главным его элементом является кварцевая пластинка, которая подвергается деформированию при подаче на нанесенные на нее электроды внешнего электрического напряжения. Деформация пластинки, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на ее поверхности. В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот. Если при этом частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, то затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты.

Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, пьезокерамика, название «кварцевый» является общеупотребительным для всех устройств такого типа.

Еще одним распространенным видом устройств, действие которых основано на использовании прямого и обратного пьезоэффектов, являются пьезотрансформаторы. Они служат для преобразования электрической энергии или сигнала с целью изменение амплитуды напряжения или гальванической развязки (передачи энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними) и применяются в генераторах высокого напряжения для газоразрядных ламп (подсветка ЖКИ-экранов ноутбуков, мониторов). Основу конструкции пьезотрансформатора составляет пьезоэлемент в форме пластинки (кольца или бруска) с нанесенными электродами в виде токопроводящих полосок(рис. 2). При подаче переменного напряжения на электроды первичной цепи, благодаря обратному пьезоэффекту в пластинке возникают деформации, которые благодаря прямому пьезоэффекту вызывают изменение напряжения во вторичной цепи.

Конструкция пьезотрансформатора

Рис. 2. Конструкция пьезотрансформатора, применяемого для генерации высокого напряжения

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *