Εισαγωγή σε υπερηχητικούς μετατροπείς:
Ένας μορφοτροπέας είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει την ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη. Η διαδικασία μετατροπής ενέργειας από τη μία μορφή σε άλλη ονομάζεται μεταγωγή.
Οι υπερηχητικοί μορφοτροπείς μετατρέπουν την ηλεκτρική έξοδο μιας πηγής ενέργειας στην έξοδο κραδασμών. Αυτή η ηλεκτρομηχανική μετατροπή μπορεί να επιτευχθεί μέσω πιεζοηλεκτρικών κεραμικών (όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα) ή μαγνητοσυστολικών υλικών. Τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά είναι ο πυρήνας των μετατροπέων.
Οι απαιτήσεις του αισθητήρα θα εξαρτηθούν από την εφαρμογή. Πολλές απαιτήσεις θα έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους και θα δοθούν διαφορετικές προτεραιότητες. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχει σύνολο κατευθυντήριων γραμμών που να μπορούν να καλύψουν όλες τις απαιτήσεις και υπάρχουν πολλές διαφορετικές μεθόδους για την επίτευξη του ίδιου στόχου.
Από αναλυτική άποψη, η απόδοση του μετατροπέα μπορεί να προβλεφθεί μόνο με γενικό τρόπο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα χαρακτηριστικά των πιεζοηλεκτρικών κεραμικών συχνά εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες εργασίας, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας, της αντοχής του ηλεκτρικού πεδίου, της στατικής συμπιεστικής προφίλου, της δυναμικής πίεσης, του αριθμού των κύκλων φορτίου και του χρόνου. Αυτές οι συνθήκες λειτουργίας μπορούν να επηρεάσουν ο ένας τον άλλον και ο αντίκτυπος αυτών των συνθηκών είναι συνήθως μη γραμμική. Επιπλέον, πολλά χαρακτηριστικά πιεζοηλεκτρικών κεραμικών είναι ορθοτροπικά και μπορούν να ποικίλουν μεταξύ των μεμονωμένων πιεζοηλεκτρικών κεραμικών και μεταξύ των πιεζοηλεκτρικών κεραμικών παρτίδων. Επιπλέον, οι αλληλεπιδράσεις σε διάφορες διεπαφές συστατικών (όπως σε νήματα) μπορεί να είναι δύσκολο να χαρακτηριστεί και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας που χρησιμοποιείται για ψύξη αέρα μπορεί να εκτιμηθεί μόνο περίπου. Επομένως, οι περισσότερες διαδικασίες σχεδιασμού περιλαμβάνουν πειραματικές δοκιμές.
Αρχή λειτουργίας του υπερηχητικού μετατροπέα:
Οι υπερηχητικοί μορφοτροπείς μπορούν να χωριστούν σε πομπούς, δέκτες και πομποδέκτες ανάλογα με τις λειτουργίες τους, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Λαμβάνοντας τη λειτουργία ενός μετατροπέα στα 40 kHz ως παράδειγμα, η συχνότητα συντονισμού (FR) του πομπού έχει σχεδιαστεί για να εφαρμοστεί για να εφαρμοστεί για να εφαρμοστεί σε ηλεκτρικά σήματα σε συχνότητες κοντά στη συχνότητα λειτουργίας, όπως φαίνεται στο σχήμα 2, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση μετάδοσης. Αντίθετα, η συχνότητα αντι -συντονισμού (FA) του δέκτη έχει σχεδιαστεί για να είναι κοντά στην ληφθείσα υπερηχητική συχνότητα, όπως φαίνεται στο σχήμα 3, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση λήψης. Η συχνότητα λειτουργίας του πομποδέκτη έχει σχεδιαστεί μεταξύ της συχνότητας συντονισμού (FR) και της αντι -συντονισμένης συχνότητας (FA) του διαμορφωτή, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. το εύρος ανίχνευσης.
Προκειμένου τα παραγόμενα υπερηχητικά κύματα να μεταδίδονται αποτελεσματικά από πιεζοηλεκτρικά κεραμικά σε αντικείμενα ή υγρά (όπως στον αέρα ή στο νερό), η ακουστική σύνθετη αντίσταση μεταξύ πιεζοηλεκτρικών κεραμικών και αντικειμένων ή υγρών πρέπει να ταιριάζει μέσω ενός ακουστικού στρώματος αντιστοίχισης. Η ταχύτητα ήχου και η ακουστική σύνθετη αντίσταση των κοινών ουσιών έχουν ως εξής:
Λαμβάνοντας τα υπερηχητικά μετατροπείς αέρα ως παράδειγμα, η ακουστική σύνθετη αντίσταση των πιεζοηλεκτρικών κεραμικών είναι περίπου 35 mrayl (106 kg/m2 ∙ s), ενώ η ακουστική σύνθετη αντίσταση αέρα είναι τόσο χαμηλή όσο περίπου 414 rayl (kg/m2 ∙ s). Επομένως, το στρώμα ακουστικής αντιστοίχισης γίνεται ένα βασικό συστατικό των υπερηχητικών μετατροπέων, τοποθετημένων μεταξύ πιεζοηλεκτρικών κεραμικών και αέρα για να ταιριάζει με την ακουστική αντίσταση τους και να μεταδίδει αποτελεσματικά υπερηχητική ενέργεια στον αέρα.
Η ιδανική τιμή ακουστικής σύνθετης αντίστασης για το στρώμα αντιστοίχισης ενός υπερηχητικού μετατροπέα αέρα είναι το Rayl, περίπου 0 122 Mrayl, αλλά είναι δύσκολο να βρεθούν υλικά με ακουστική σύνθετη αντίσταση χαμηλότερη από 1 mrayl και ανθεκτικότητα. Επί του παρόντος, το συνήθως χρησιμοποιούμενο υλικό ακουστικής αντιστοίχισης είναι ένα σύνθετο υλικό από πολυμερή μήτρα και κοίλη σκόνη για να επιτευχθεί χαμηλότερη ακουστική σύνθετη αντίσταση και λογική αξιοπιστία. Σύμφωνα με την εφαρμογή, οι υπερηχητικοί μορφοτροπείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε σε λειτουργία λήψης μετάδοσης είτε σε λειτουργία λήψης μετάδοσης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι μετατροπείς υπερήχων έχουν εγγενώς χαρακτηριστικά δακτυλίου. Κατά το σχεδιασμό υπερηχητικών μετατροπέων για μέτρηση εγγύτητας, ο ήχος περιορίζει την ελάχιστη απόσταση ανίχνευσης. Γενικά, χρησιμοποιείται ένα στρώμα απόσβεσης για την ταχεία αποκατάσταση του υπερηχητικού μετατροπέα σε μια στατική κατάσταση και τη μείωση του χτυπήματος.
Δομή υπερηχητικών μετατροπέων:
Ο υπερηχητικός πιεζοηλεκτρικός μορφοτροπέας περιλαμβάνει ένα περίβλημα: ένα στρώμα που ταιριάζει με το στρώμα ή το ηχητικό παράθυρο, τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά, τα στήριγμα και το εξερχόμενο καλώδιο, συμπεριλαμβανομένου ενός δέκτη συστοιχίας Cymbal, που αποτελείται από εξερχόμενα σύρματα, Ο δέκτης συστοιχίας Cymbal βρίσκεται πάνω από τον πιεζοηλεκτρικό μορφοτροπέα δίσκου 3. Χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα κεραμικού δίσκου ως βασικό υπερηχητικό πιεζοηλεκτρικό μορφοτροπέα, μεταδίδοντας και λαμβάνοντας υπερηχητικά σήματα. Ο δέκτης συστοιχίας Cymbal βρίσκεται στον πιεζοηλεκτρικό μορφοτροπέα του δίσκου και χρησιμεύει ως υπερηχητικός δέκτης για τη λήψη σημάτων Echo Doppler έξω από τη ζώνη συχνοτήτων του μετατροπέα δίσκου. Κατάλληλο για υπερηχητικό εξοπλισμό.
Πώς να επιλέξετε έναν μετατροπέα:
1. Ο μετατροπέας θα πρέπει να έχει υψηλή αντίσταση εισόδου και χαμηλή αντίσταση εξόδου για να αποφευχθεί τα αποτελέσματα του φορτίου.
2. Ο μετατροπέας θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στο επιθυμητό σήμα και μη ευαίσθητο σε ανεπιθύμητα σήματα.
3. Ο μετατροπέας θα πρέπει να είναι σε θέση να λειτουργεί σε διαβρωτικό περιβάλλον.
4. Το κύκλωμα του μορφοτροπέα πρέπει να έχει προστασία υπερφόρτωσης για να αντέξει την υπερφόρτωση.