П’єзоелектричний перетворювач

Корисна модель відноситься до техніки ультразвукової діагностики та неруйнівного контролю, а саме до п'єзоелектричних перетворювачів, які можуть бути використані в різноманітних процесах виробництва при дослідженні сигналів обумовлених процесами руйнування та зношування матеріалів та конструкцій зі збереженням широкосмугового діапазону пропускання досліджуваних сигналів та більш рівномірною ампітудночастотною характеристикою, наприклад при роботі з лезовими інструментами на основі алмазно-твердосплавних пластин чи кубічного нітриду бору. Відомий п'єзоелектричний перетворювач для приймання сигналів акустичної емісії (див.авт.св. SU №1665295, kh.G01N29/04, опубл. 1991р.), що містить порожній корпус на одному з торців якого закріплено п'єзокерамічну пластину, електрично з'єднану з двома електродами, а внутрішня поверхня корпуса заповнена компаундом на основі епоксидної смоли. Недоліком цього п'єзоелектричного перетворювача є невисоке значення акустичного імпедансу компаунда на основі епоксидної смоли, що не узгоджується з акустичним імпедансом п'єзокерамічної пластини. В результаті це призводить до низького значення коефіцієнта загасання акустичних хвиль, що є причиною паразитних імпульсів в п'єзоелектричному перетворювачі. Відома демпфуюча маса ультразвукових шукаючих головок (див. авт. св. СРСР №352211, кл. G01N29/04, опубл. 1972р.), яка вміщує як зв'язку епоксидну смолу, а як наповнювач - порошок вольфраму і свинцевий сурік. Недоліком цієї маси є малий коефіцієнт поглинання енергії ультразвукових хвиль, що викликає збільшення мертвої зони ультразвукових перетворювачів внаслідок збільшення тривалості коливань п'езокерамічної пластини за рахунок багаточисельних донних імпульсів. Відома демпфуюча маса, що складається з вольфраму та компаунда (див.авт.св. СРСР №526823, mi.G01N29/04, опубл. 1976р.), причому у склад компаунда входить галій, олово та нікель. Недоліком цієї маси є невисокий коефіцієнт поглинання ультразвуку, в особливості на відносно низьких частотах, та низька роздільна здатність. Відома демпфуюча маса для ультразвукових шукачів головок (див. авт. св. СРСР №705325, кл.(30Ш29/04, опубл. 1979р.), що містить разом з епоксидною смолою, поліефіром та поліетиленом також наповнювач у вигляді п'езокерамічного порошку. Недоліком цієї маси є висока дисперсність наповнювача п'езокерамічного порошку. Розмір частинок такого порошку дуже малий, що призводить до недостатньої здатності даної маси до поглинання ультразвуку, оскільки коефіцієнт поглинання в композиційному матеріалі зростає пропорційно шостому ступеню розміру частинок наповнювача. Відомий матеріал демпфера ультразвукового перетворювача (див. авт. св. №1590962 СРСР кл. G01N 29/04, опубл. - 07.09.90, бюл. № 33.), що складається з епоксидної смоли та порошку заліза . Недоліками такого матеріалу демпфера є невисокий коефіцієнт загасання акустичних хвиль, недостатньо високий модуль пружності, та низька швидкість поширення звуку. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого перетворювача є п'єзоелектричний перетворювач (див. авт. св. №2078340 RU, кл. G01N29/24, опубл. - 27.04.1997р.), що містить порожній корпус, розміщену у ньому з боку одного торця п'єзокерамічну пластину і контактуючий з нею демпфер, виконаний з композиційного матеріалу на основі компаунда з наповнювачем з узгодженням імпедансів демпфера і п'єзокерамічної пластини на границі їх розподілу, при цьому матеріал демпфера являє собою полімерну композицію наступного складу (мас.%): порошок вольфраму зернистістю 40-80 мкм 60-65%; порошок електрокорунду зернистістю 400-1000 мкм 20-25%; порожнисті мікросфери зернистістю 50-100мкм 3,7-3,9%; решта - епоксидна смола, полімерну композицію розташовано у три шари; перший - що прилягає до п'єзокерамічної пластини, містить як наповнювач порошок вольфраму, другий - проміжний, містить порошок електрокорунду, третій, що прилягає до торцевої поверхні втулки, містить порожнисті мікросфери. Недоліками цього перетворювача є те, що процес виготовлення такого перетворювача є трудомістким та нетехнологічним, що потребує значних часових та матеріальних витрат за рахунок того, що в процесі затвердіння епоксидної смоли п'єзоелектричний перетворювач піддають вібраційному впливу. До того ж, використання для виготовлення демпфера полімерної композиції згаданого складу не дає змоги отримати узгодження імпедансів демпфера і п'єзокерамічної пластини на границі їх розподілу, про що свідчать наведені результати, такий механізм роботи п'єзоелектричного перетворювача не забезпечує затухання ультразвукових коливань за рахунок максимального поглинання енергії ультразвукових хвиль в демпфері, а також не досягається стабілізація властивостей отриманого перетворювача. В основу корисної моделі покладено завдання такого вдосконалення п'єзоелектричного перетворювача, при якому за рахунок використання для виготовлення демпфера наповнювача у ви гляді суміші порошку карбіду тугоплавкого металу з'єднаного з композиційним матеріалом з характеристичним імпедансом, що наближається по величині до імпедансу п'єзокерамічної пластини на границі їх розподілу, забезпечується збільшення коефіцієнта загасання акустичних хвиль, вирівнювання амплітудно-частотної характеристики отриманих сигналів в широкій смузі пропускання і, як наслідок, покращення експлуатаційних характеристик демпфера та спрощення конструкції перетворювача в цілому, а також ізоляція п'єзокерамічної пластини від корпуса з одночасною стабілізацією властивостей отриманих перетворювачів. Крім того таке заповнення вільного об'єму п'єзоелектричного перетворювача компаундом з запропонованим наповнювачем виключає можливість резонансних впливів перетворювача на акустичний сигнал, завдяки чому і відбувається зменшення нерівномірності амплітудно-частотної характеристики у діапазоні частот, що досліджуються. Для вирішення цього завдання п'єзоелектричний перетворювач, що містить порожній корпус, розміщену у ньому з боку одного торця п'єзокерамічну пластину і контактуючий з нею демпфер, виконаний з композиційного матеріалу на основі компаунда з наповнювачем з узгодженням імпедансів демпфера і п'єзокерамічної пластини на границі їх розподілу, згідно корисної моделі як наповнювач композиційного матеріалу він містить порошок карбіду тугоплавкого металу, оптимальним при цьому є, коли як карбід тугоплавкого металу він містить карбід вольфраму, а наповнювач додатково містить принаймні один елемент, вибраний з наступного ряду: Fe, Co, Ni у кількості, що не перевищує 25 % від маси порошку карбіду тугоплавкого металу. Враховуючи той факт, що вихідна напруга п'єзоелектричного перетворювача пропорційна квадрату діаметра п'єзоелемента та максимальна чутливість перетворювача визначається співвідношенням: d (1) »1 D де d - діаметр п'єзопластини; D - діаметр корпусу, завдяки можливості використання для виготовлення запропонованого п'єзоелектричного перетворювача спрощеної технології виготовлення вдається створити якомога менший зазор між корпусом та п'єзопластиною, що дозволяє збільшити діаметр п'єзопластини для підвищення чутливості п'єзоелектричного перетворювача. До того ж, при нанесенні маси демпфера на п'єзокерамічну пластину (маса демпфера значно перевищує масу п'єзокерамічної пластини) відбувається більш щільний контакт п'єзокерамічної пластини з досліджуваним об'єктом, що веде до збільшення міцності з'єднання досліджуваного об'єкту та п'єзокерамічної пластини, що забезпечує кращий акустичний контакт п'єзоелектричного перетворювача. Можливість виключення при виготовленні п'єзоелектричного перетворювача трудомістких операцій виготовлення демпфера, як самостійного елемента, підвищує те хнологічність зборки перетворювача та його надійність. Корисну модель проілюстровано кресленням, де представлено загальний вигляд пропонованого п'єзоелектричного перетворювача. П'єзоелектричний перетворювач містить порожній корпус 1, розміщену у ньому з боку одного торця п'єзокерамічну пластину 2 і контактуючий з нею демпфер 3, виконаний з композиційного матеріалу на основі компаунда з наповнювачем з узгодженням імпедансів демпфера 3 і п'єзокерамічної пластини 2 на границі їх розподілу, при цьому як наповнювач композиційного матеріалу він містить порошок карбіду тугоплавкого металу. П'єзокерамічну пластину 2 встановлено на одному з торців корпуса 1 або, як показано на кресленні, на поверхні протектора 4, що служить для захисту від стирання та механічних пошкоджень п'єзокерамічної пластини 2, з обох боків п'єзокерамічної пластини 2 нанесені електроди 5 та 6 у вигляді тонкого шару срібла, один електричний вивід 7 припаяно до внутрішньої поверхні п'єзокерамічної пластини 2, а другий 8 - до її протилежної поверхні та з'єднано з корпусом 1, весь внутрішній простір корпуса 1 залитий композиційним матеріалом на основі компаунда з наповнювачем з карбіду тугоплавкого металу з характеристичним імпедансом, що наближається по величині до імпедансу п'єзокерамічної пластини 2. При виготовленні п'єзоелектричного перетворювача можуть бути використані наступні матеріали: корпус 1 латунь; п'єзокерамічна пластина 2 - стандартна п'єзокераміка марки ЦТС 19; демпфер 3 - з композиційного матеріалу, який містить як компаунд епоксидну смолу (ЕД - 16), тіокол як пластифікатор і як затверджувач триетаноламін та наповнювач - порошок карбіду тугоплавкого металу, а саме карбід вольфраму, при наступному співвідношенні компонентів, (мас.,%): карбід вольфраму - 80-95% епоксидна смола - 5-20%, протектор 4 - епоксидна смола ЕД - 16. Приєднання електричних виводів 7 та 8 до посрібляних поверхонь електродів 5,6 п'єзокерамічної пластини 2 здійснюється методом пайки. Компаунд додатково може містити принаймні один елемент вибраний з наступного ряду Fe, Co, Ni у кількості, що не перевищує 25% від маси порошку карбіду тугоплавкого металу. Введення карбіду тугоплавкого металу як наповнювача у склад матеріалу демпфера 3 при вказаному співвідношенні компонентів дозволяє отримати демпфер 3 з коефіцієнтом затухання (30) дБ/см на частотах до 1,2 МГц. До того ж, модуль пружності та швидкість звуку у карбіді вольфраму, як одного з тугоплавких металів, в 3-4 рази вище, ніж у демпферів 3 з використанням наповнювачів на основі заліза. Частинки карбіду вольфраму розміром 1-10 мкм, що хаотично розташовані у композиційному матеріалі, добре поглинають акустичні хвилі у смузі частот 100 КГц - 1,2 мГц, за рахунок чого відбувається вирівнювання амплітудно-частотної характеристики п'єзоелектричного перетворювача у даній смузі частот. У таблиці представлено залежність зміни характеристичного імпедансу компаунду від зміни співвідношень компонентів, (мас. %). Матеріал для демпфера 3 отримують наступним чином: змішують просушений порошок карбіду тугоплавкого металу з компаундом -епоксидною смолою у в'язкотекучому стані та ретельно розмішують до отримання однорідної суміші. Отриманим композиційним матеріалом проводять заливку порожнини корпуса 1. При цьому відбувається швидка полімеризація цієї суміші за рахунок нагрівання корпуса 1 до температури 70-80°С. Таблиця Об'єкт випробування Пропонований склад демпфера Склад демпфера за прототипом № п/п 1 2 3 4 5 6 Склад композиційного матеріалу демпфера, мас. % Характеристичний імпеданс, z x 106 Наповнювач: карбід Компаунд: епоксидна кг/м 2 • с вольфраму, WC смола 89 11 22,08 85 15 16,14 80 20 12,95 90 10 22,72 95 5 36,50 Порошок вольфраму: 65 Порошок електрокорунду: 6,1 28,0 25 Порожнисті мікросфери: 3,9 Як видно з таблиці, характеристичний імпеданс за прототипом з боку демпфера 3, що прилягає до п'єзокерамічної пластини 2 складає 28 кг/м 2×с, що перевищує характеристичний імпеданс відомої п'єзокераміки типу ЦТС (21-23 кг/м 2х) і призводить до появи паразитних сигналів, які спотворюють амплітудно-частотну характеристику перетворювача. Зміною кількісного співвідношення пропонованого композиційного матеріалу демпфера З вдається наблизитись до характеристичного імпедансу п'єзокерамічної пластини 2 при наступних співвідношеннях: компаунд - епоксидна смола 10-11%, наповнювач - карбід вольфраму 89-90%, що забезпечує повне поглинання хвилі, що виникає на границі розподілу п'єзокерамічна пластина 2 - демпфер 3. П'єзоелектричний перетворювач працює так: При дослідженні розвитку дефектів при руйнуванні та зношуванні виробів відбувається вивільнення накопиченої енергії, яка розповсюджується у вигляді пружних хвиль, які сприймаються п'єзокерамічною пластиною 2. П'єзоелектричний перетворювач, безпосередньо, перетворює ці хвилі в електричний сигнал. За рахунок максимального наближення діаметра п'єзокерамічної пластини 2 до діаметра корпусу 1 досягається максимальна чутли вість перетворювача. Вирівнювання амплітудно-частотної характеристики п'єзоелектричного перетворювача при збереженні широкосмугового діапазону відбувається за рахунок використання демпфера 3, виконаного з композиційного матеріалу на основі компаунда з наповнювачем, що містить порошок карбіду тугоплавкого металу. Завдяки узгодження імпедансів демпфера 3 і п'єзокерамічної пластини 2 на границі їх розподілу всі хвилі, що пройшли крізь п'єзокерамічну пластину 2 без ушкоджень проходять в матеріал демпфера 3, де за рахунок високої демпфуючої спроможності частинок карбіду вольфраму затухають.