Пьезоэлектрический преобразователь

 

Использование: в ультразвуковых уровнемерах и расходомерах. Сущность изобретения: излучающая и отражающая накладки выполнены из композиционных материалов , акустические импедансы которых выбраны из условия Zorp/ZusflyM. S3. где Zorp. - характеристический импеданс материала отражающей накладки, 2излуч. - характеристический импеданс материала излучающей накладки. Отражающая накладка охватывает пьезокерамические пластины, в частности , по боковым поверхностям и жестко связана с ними. Свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с диском , акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран из условия Dn 2Dn-a, где Dn, Dn-a - диаметры диска и пьезокерамических пластин. 1 ил. IS

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 В 06 В 1/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4911175/10 (22) 26 11.90 (46) 15,12.92. Бюл. М 46 (71) Самарское специальное конструкторское бюро Научно-производственного обьединения "Нефтехимавтоматика" (72) Н.С. Марьин (56) Авторское свидетельство СССР

М 233313, кл. В 06 В 1/06, 1967.

Авторское свидетельство СССР

М 1553194, кл. В 06 В 1/06, 1987.

Ермолов И.Н. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля..— M.: Машиностроение, 1986, с. 35-38.

Донской А.B.. Келлер О.К„Кратки Г,С, Ультразвуковые электротехнологические установки. — Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1968, с. 85. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к приборам для излучения и приема ультразвуковых колебаний и может найти применение в уровнемерах, расходомерах, работающих методом локации через газовую и жидкую среду, находящуюся под давлением.

Известен многослойный пьезоэлектрический пакетный преобразователь. содержащий пьезопластины, укрепленные между металлическими накладками и стянутые болтом, мембрану, которая по периметру соединена с фланцем в узловой точке преобразователя.

Известен пьезоэлектрический преобразователь для газовых сред, содержащий пакет пьеэопластин, размещенный между (57) Использование: в ультразвуковых уровнемерах и расходомерах. Сущность изобретения: излучающая и отражающая накладки выполнены из композиционных материа лов, акустические импедансы которйх выбраны из условия 2отр/Еизлуч.:» 3, где Zotp. — характеристический импеданс материала отражающей накладки, Zganyq. — характеристический импеданс материала излучающей накладки. Отражающая накладка охватывает пьезокерамические пластины, в частности, по боковым поверхностям и жестко связана с ними. Свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран изусловия Dn « 20n-в, где 0, Dn-a-диамет- . ры диска и пьезокерамических пластин. 1 ил.

1 отражающей и излучающей накладками с кольцевой мембраной, фланец и амортиза-: торы.

Известные преобразователи не обеспечивают эффективного излучения из-за зна-, чительного различия акустических импедансов излучающих.накладок и контролируемых сред. Известные преобразоватеI ли обладают недостаточной помехоустойчивостью из-зе выполнения излучающих накладок металлическими, так

«ак в твердом теле модуль сдвига не равен нулю и одновременно с продольными колебаниями существуют поперечные и изгибные колебания, влияющие на все . компоненты напряжений. деформаций и ме1780857 ханических смещений и, как следствие, на параметры электрического сигнала. Кроме того. использование пьезокерамических колец в таких преобразователях приводит к недостаточному эффективному излучению ввиду малой активной площади пьезоэлемента.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезокерамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку.

Недостатками преобразователя являются его низкие эксплуатационные характеристики из-за недостаточного эффективного излучения и низкой помехоустойчивости, так как использование дисковых пластин в такой конструкции приводит к снижению излучающей мощности иэ-за вызванных поперечных и иэгибных колебаний.

Цель изобретения — повышение эффективности излучения и . повышение помехоустойчивости..

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем соосно и последовательно расположенные излучающую накладку, пьезокерамические пластины с прокладкой между ними, отражающую накладку, согласно изобретению отражающая и излучающая накладки выполнены из композиционных материалов, акустические импедансы которых выбраны из условия

2отр/2издуч. 3, где 2 р, — характеристический импеданс материала отражающей накладки;

2иэлуч. — характеристический импеданс материала излучающей накладки, отражающая накладка охватывает пьеэокерамические пластины по боковым поверхностям и жестко связана с ними, а свободная поверхность излучающей накладки жестко связана с введенным диском, акустический импеданс которого меньше или равен акустическому импедансу излучающей накладки, а диаметр выбран из условия

0@ < 20п-н, где 0д, 0 -н — диаметры диска и пьезокерамических пластин соответственно.

На чертеже представлено сечение пьезоэлектрического преобразователя, Пьезоэлектрический преобразователь содержит соосно расположенные пьезокерамические диски 1, прокладку 2, помещенную между электродами пьезоэлементов и

5 выполненную в виде тканой металлической сетки с ячейками, заполненными композиционным материалом, отражающую наклад.ку 3, охватывающую боковую поверхность пьезоэлементов и выполненную за одно це10 лое с опорным буртиком 4, армированным . металлической втулкой 5, излучающую накладку 6, снабженную диском 7, электрические выводы 8, фланец 9, стопорную гайку

10, фиксирующую преобразователь по пе15 риметру буртика 4 во фланце 9. Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче рабочего импульса на пьезоэлементы 1 с частотой заполнения, соответствующей резонансной

20 частоте преобразователя, через излучающую накладку 6 и мембрану 7 ультразвуковые колебания идут в оэвучиваемую среду.

Несимметричность акустических импедансов накладок усиливает интенсивность ко25 лебаний на излучающей поверхности.

Благодаря выполнению накладок из композиционных материалов в преобразователе полностью отсутствуют иэгибные колебания, в достаточной мере снижен уровень

30 реверберационных помех, обусловленными радиальными колебаниями накладок (из-за значительного поглощения звука), компози; ционный материал, охватывающий всю боковую поверхность пьезоэлементов, 35 повышает помехоустойчивость преобразователя от внешних акустических полей. При малом отношении радиуса пьезопластины к . толщине (это требуется для локации через газовую среду) особенно велики радиаль40 ные колебания. В предложенном решении они в достаточной мере ослаблены. Благодаря значительному снижению уровня реверберационных помех в преобразователе можно использовать пьезоэлементы со значитель45 ной эффективной площадью пьезоэлемента для увеличения отдачи преобразователя.

Кроме того, полимерный диск, смонтированный (приклеенный или отлитый за одно целое) на излучающей поверхности накладки, 50 повышает чувствительность в 3,5 раза.

Прокладка, выполненная из тканой металлической сетки с ячейками, заполненными композитным материаломс акустическим им-, педансом, близким к акустическому импедан55 су пьезоэлемента. в достаточной мере снижает помехи, вызванные рециркуляцией эхо-сигналов на границе пьезоэлемент — прокладка; что в конечном итоге приводит к снижению общего уровня шумов в пьезоэлектрическом преобразователе.

1780857

Таким образом, пьезоэлектрический В предложенном устройстве акустичепреобразователь обладает лучшими эксплу- ские импедансы отражающей и излучающей атационными характеристиками за счет уве- накладки соответственно равны:. личения помехоустойчивости и, как следствие, эффективностью преобразова- 2отр. = 6,4 10 кг/(м с) ния. 5

Кроме того, прокладка в значительной 2изл, 2 0 10 кг/(м с) мере повышает надежность преобразователя, так как существующие способы, обеспе- Масса излучающей накладки для данночивающие гальванб-акустическую связь го случая в 4 раза меньше массы отражаюпьезоэлеметов, не надежны (требуются 10 щей накладки, т,е. коэффициент большие усилия для обеспечения механо- асимметрии обеспечивает достаточную одакустической связи, что в свою очередь со- нонаправленность и эффективность излучездает значительные механические ния. напряжения в колебательном узле, приво- - Полноегашение паразитных колебаний дящие к растрескиванию пьезоэлементов).:15 в предлагаемом устройстве достигается пу Предлагаемое устройство за счет герме- тем выбора ингредиентов состава компотизации колебательного узла может рабо- зитного материала. Для данного случая тать как в газообразных. так и в жидкостных паразитные колебания снижены в достаточсредах. ной мере по сравнению с известными устПриводится одйн из вариантов конкрет- 20 ройствами. В полимерах затухание ного выполнения предлагаемого пьезоэлек- происходит интенсивней, чем в металлах и трического преобразователя. сплавах. Использование четверть-волновых, После соответствующей обработки по- накладок оказывает незначительйое влия- . верхности тканой металлической сетки под we на затухание продольных волн(рабочих) склеивание на нее наносят соответствую- 25 в композитном материале. щую композицию(жидкое стекло с наполни- Кроме того, предлагаемое устройство телем или эпоксидную смолу с предназначенодля работы на низких частонаполнителем) и отверждают. ° тах (45-200) кГц с большой длиной волны, После отверждения из полученного ° поэтому на затухание продольных волн ком- промежуточногослоя вырезаютпрокладкус 30 позитный материал оказываетслабое влиягеометрическими размерами под выбран- ние. ную пьезокерамику, после чего ее помеща- Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я ют между электродами пьезоэлементов, на.. Пьезоэлектрический прбобразователь, которые предварительно был нанесен тон- содержащий соосно и последовательно рас- . кий слой композиционного клея.. 35 положенные излучающую накладку, пьезоПосле такой операции выступы (утки) керамические пластины с прокладкой тканой металлической сетки обеспечивают . между ними, отражающую накладку, о т л иэлектрическую связь между собой электро- ч а ю шийся тем, что, с целью повышения дов пьезоэлеметов, а композиционный ма- .":эффективности излучения и повышения потериал, находящийся в ячейках сетки, 40 мехоустойчивости, отражающая и излучаюобеспечивает механо-акустическую связь.. щая накладки выполнены из

Для снижения уровня эхо-сигнала на композиционных материалов, акустические границе прокладка-пьезоэлемент сетка вы- импедансы которых выбраны из условия брана латунной (акустические импедансы материалов латуни и пьезокерамики типа 45 Z»p,/2иэлуч. 3.

ЦТС-19 близки), а композиционный материал по акустическому импедансу подбирают где2тр.-характеристический импеданс маблизким по акустическому импедансу пье- териала отражающей накладки; зокерамики (достигается варьированием 2кзд ц, характеристический импеданс . процентного содержания наполнителя в 50 материала излучающей накладки. связующем). отражающая накладка охватывает пьезокеПолученный пакет с припаянными про- рамические пластины по боковым поверхводами(плюсовой проводник "живой" при- ностям и жестко связана с ними, а паивают к сетке. а минусовой — к внешним свободная поверхность излучающей наэлектродам пьезоэлементов) помещают в 55 кладкижесткосвязанасвведеннымдиском, специальную питьевую форму и поочередно акустический импеданс которого меньше отливают сначала отражающую накладку, или равен акустическому импедансу излучазатем излучающую.

1780857

Составитель Н.Марьин

Редактор Техред М. Моргентал Корректор M.Ïåòðoâà

Заказ 4234 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ющей накладки, а диаметр выбран из условия 4 <20 в, где Dn Dn-a — диаметры диска и пьезокерамических пластин соответственно.