4.3 Розрахунок основних параметрів п'єзоелектричного перетворювача

4.3.1 Вихідні дані для розрахунків

Для розрахунку основних параметрів п'єзоелектричного перетворювача наведемо основні параметри п'єзокераміки ЦТС-19:

- Швидкість звуку - 3120 м / с;

- Добротність Q_к - 50;

- Товщинний коефіцієнт електромеханічного зв'язкуK_t - 0,54;

- П'єзомодульd₃₃ - 10010¹² Кл/Н;

- Пружний модуль Н/м²;

- Діелектрична проникність 1060;

- Тангенс кута діелектричних втрат tg - 0,02;

- Щільність р - 6000 кг/м³.

Вимірювальний перетворювач буде працювати на частоті 2МГц.

4.3.2 Розрахунок геометричних параметрів перетворювача

Визначимо ширину характеристики спрямованості перетворювача на рівні 0,707 (ширина головного максимуму).

Відповідно до ТЗ глибина проникнення ; поперечна роздільна здатність ; поздовжня роздільна здатність . Таким чином:

 

 

Знайдемо довжину хвилі в п'єзопластини:

 

Тепер можна знайти розміри пластинчастого перетворювача перетворювача (w і l):

м;

м.

Для випромінювання хвиль довжиною 0,77 мм товщина пластини має дорівнювати:

Знаючи геометричні розміри перетворювача, визначимо площу випромінюючої поверхні:

 

 

Кут розходження ультразвукового пучка в дальні зони залежить від діаметру і довжини хвилі і може бути визначений за виразом:

  ;

γ = 1.47º.

Цей кут задовольняє умови нашого технічного завдання (ширина характеристики спрямованості при поперечному п'єзоефекті дорівнює 1,528º).

Знайдемо масу п'єзопластини:

 

Для забезпечення поздовжньої роздільної здатності необхідно змінювати тривалість зондуючого імпульсу. Так для забезпечення =1,5мм, тривалість імпульсу має бути:

  с

Антирезонансна частота визначається за виразом:

  ,

Де - коефіцієнт електромеханічного зв'язку п'єзоелектричної пластини при поздовжніх коливаннях по товщині.

4.3.3 Розрахунок енергетичних характеристик перетворювача

Відповідно до ГОСТ 26831-86 інтенсивність ультразвукових коливань застосовуваних у діагностиці не повинна перевищувати 50мВ/см². При такій інтенсивності випромінювання акустична потужність випромінювача буде дорівнювати:

 

Знайдемо коефіцієнт електромеханічної трансформації (для поперечного п'єзоефекту):

Знайдемо еквівалентну масу:

  !

Опір випромінювання:

 

 

    Добротність перетворювача:

 

    Смуга пропускання:

 

Електрична напруга збудження, що необхідна для отримання заданої питомої акустичної потужності при резонансі:

 

4.4 Технологія виготовлення п'єзоелектричного перетворювача

П'єзокерамічні перетворювачі в залежності від призначення виконуються в різних конструктивних варіантах. У той же час, можна виділити типові технологічні процеси, які застосовуються при виготовленні більшості конструктивних різновидів п'єзокерамічних перетворювачів. До них слід віднести:

• спаювання електричних висновків до п'єзокерамічним елементам і блокам;

• склеювання п'єзокерамічних елементів і блоків;

• герметизація перетворювачів;

• перевірка параметрів перетворювачів, контроль герметичності та випробування гідростатичним тиском перетворювачів.

4.4.1 Спаювання п’єзокерамічного елемента

Спаювання проводитися для забезпечення електричного з'єднання посрібленої поверхні п’єзокерамічного елемента з електричним висновком - провідком з латунного, бронзового, мідного або срібного прокату. Всі припаяні до п'єзоелементу виходи покриваються сріблом гальванічним способом.

Так як для виготовлення перетворювача, використовуваного при виготовленні проектованого датчика, застосовується п'єзокераміка ЦТС-19П, тому, виходячи з технологічних міркувань, цю п'єзокераміку необхідно паяти низькотемпературним припаєм із температурою плавлення 91º. Тому в якості припаю необхідно вибрати ПОС-61. Припій складається з 40,2% свинцю, 8,4% кадмію і 2% срібла (по вазі).

Паяння і лудіння п’єзокерамічного елемента і електричних висновків слід виконувати тільки із застосуванням каніфольно-спиртового флюсу КСФ ( олова, етилового спирту). При виконанні робіт по лужінню і спаюванню електричних виходів до п'єзокераміки необхідно користуватися паяльниками з автоматично регульованою температурою жала.

Технологічний процес паяння п’єзокерамічного елемента включає в себе наступні операції:

• підготовка електричних висновків:

• підготовка поверхні п’єзоелемента;

• лудіння посрібленої поверхні п’єзоелемента;

• пайка п’єзоелемента з електричними виходами;

• контроль якості спаювання;

Підготовка електричних висновків перед припаюванням їх до п'єзоелементів полягає в обслужуванні спаюванихповерхоню пелюсток при зачистці ізоляції, скручуванні та облужуванні кінців проводів. Облужування необхідно вести припаєм ПОС-91.

При підготовці п'єзоелементів необхідно марлевим тампоном, змоченим в спирті, зняти шар консервуючого флюсу з посріблених поверхонь. Посріблена поверхня п'єзокераміки повинна бути неокисленою (без потемніння срібла). Якщо посріблена поверхня має потемніння, то необхідно її зачистити латунними щітками в місці пайки легким карцуванням. Після спаювання місце пайки ретельно знежирюють спиртом. Лудіння місць пайки на посрібленій поверхні п'єзоелементів проводиться спеціальними припаями за допомогою паяльника із застосуванням флюсу КСФ. Для припаю ПОС-91 температура жала паяльника повинна знаходитися в межах . Лудіння має тривати не більше 3с.

Пайку п'єзоелемента з електричним виходом необхідно робити відразу після лудіння, причому температура жала паяльника підтримується такий, як і при лудінні. Після закінчення спаювання місце спаю ретельно очищається марлевим тампоном, змоченим спиртом від залишків флюсу.

Після пайки необхідно проводити контроль місця пайки. Місця спаю мають бути суцільними, без тріщин, бульбашок, здуття і мати чисту металеву поверхню.