Способ изготовления пъезоэлектрического преобразователя

 

Использование: в приборостроении при технологии изготовления пьезопреобразователей. Сущность изобретения: в способе изготовления пьезоэлектрического преобразователя, включающего установку и фиксацию пьезоэлемента в глухом отверстии литьевой формы, заливку демпфирующей композицией и извлечение демпфера с приклеенным пьезоэлементом после отверждения, в нем демпфер отверждается с переменной температурой стеклования, с максимальной - у пьезоэлемента и минимальной - у свободного конца (тыльной стороны).

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для изготовления демпферов пьезоэлектрических преобразователей, предназначенных для измерения расхода вещества при повышенных температурах ультразвуковым методом.

Известен способ изготовления демпфера ультразвукового преобразователя, заключающийся в том, что пьезоэлемент размешивают в форме, заливают последнюю демпфирующим материалом и охлаждают его до отверждения [1] Однако известное техническое решение имеет ограниченное применение в условиях эксплуатации в средах с повышенной температурой.

Известен способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя, включающий установку и фиксацию пьезоэлемента в глухом отверстии нижней полуматрицы, на дно которого нанесен тонкий слой вязкой жидкости, установку верхней полуматрицы на нижнюю, введение в верхнюю полуматрицу соосно с пьезоэлементом трубки с размещенными в ней электрическими выводами последнего, заливку композитным материалом полуматриц, отверждение компаунда, извлечение преобразователя и полуматриц, установку на демпфер преобразователя втулку, заполнение последней предварительно вакуумированным композитным материалом, извлечение после отверждения композитного материала преобразователя из втулки и обработку поверхности композитного материала со стороны рабочей поверхности пьезоэлемента до получения необходимой величины толщины протектора [2] Недостатком данного способа является сложность его выполнения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ изготовления ультразвукового преобразователя, заключающийся в том, что пьезоэлемент устанавливают и фиксируют в глухом отверстии литьевой формы, заливают демпфирующей композицией, отверждают, извлекают демпфер с приклеенным пьезоэлементом [3] Однако известный способ изготовления пьезопреобразователя недостаточно надежен в условиях длительной эксплуатации при повышенной температуре, так как большие механические напряжения, возникающие при повышенной температуре, приводят к растрескиванию демпфера, отслаиванию его от пьезокерамики. Механические напряжения обусловлены различием термических коэффициентов линейного расширения керамики, металлических покрытий, наполнителей, корпуса и эпоксидного компаунда.

Задачей изобретения является повышение качества ультразвукового преобразователя.

Задача достигается тем, что в известном способе изготовления пьезопреобразователя, включающего установку и фиксацию пьезоэлемента в глухом отверстии литьевой формы, заливку последней демпфирующей композицией, отверждение ее и извлечение пьезоэлемента с приклеенным демпфером, согласно изобретению демпфер отверждают с переменной температурой стеклования с максимальной y пьезоэлемента и минимальной y свободного конца (тыльной стороны).

Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя заключается в следующем.

В литьевой форме отливают демпфер выбранной формы.

Затем, начиная с торца демпфера, примыкающего к пьезоэлементу, (эта часть демпфера имеет наибольшее количество наполнителя, а следовательно, и высокий акустический импеданс) любым из методов определяют температуру стеклования (T_с) демпфирующего материал. T_с материала демпфера можно определить, например, методом отскакивающего шарика, измерением тепловой деформации или по дилатометрической методике.

Дилатометрическим методом определяют температуры перехода второго рода, то есть температуры, при которых наблюдается резкое изменение характеристик теплового расширения, что указывает на внутреннюю пространственную перегруппировку, вызванную расширением композиционного материала при переходе его из стеклообразного состояния в высокоэластическое (каучукоподобное).

В области стеклообразного состояния внутренние напряжения в композиционных материалах линейно зависят от температуры и становятся равными нулю около температуры стеклования.

Таким образом, для снятия внутреннего напряжения в демпфирующем композиционном материале пьезопреобразователя в выбранном интервале рабочих температур необходимо выполнить условие, при котором рабочее состояние демпфера было в области температуры стеклования выбранного материала.

Например, для измерения расхода горячей воды (в тепловых сетях), температура которой колеблется от 80 до 135^oС, материал демпфера надо изготовить с температурой стеклования, находящейся в пределах T_п > T_с > T_т, где T_п температура стеклования демпфера, примыкающего к пьезоэлементу и равная 135^oC, T_т температура стеклования свободного торца демпфера, равная 80^oC, T_с - температура размягчения демпфера в интервале перехода его из твердого состояния в высокоэластическое. Выбор максимальной температуры стеклования демпфера у пьезоэлемента необходим для обеспечения малых механических потерь. Это достигается благодаря тяжелым частичкам наполнителя, опускающимся вниз к пьезоэлементу при определенном режиме отверждения. В рекомендуемом способе изготовление демпфирующей композиции с переменной температурой стеклования достигается режимом отверждения, наполнителями, компонентами связующего. После определения у экспериментального образца T_с демпфера композицию с выбранными ингредиентами заливают в литьевую форму с помещенным в нее пьезоэлементом и отверждают по отработанному режиму (разработанному при отработке демпфирующего материала с заданной температурой стеклования). По окончании отверждения демпфер с пьезоэлементом извлекают из формы и по известной технологии формируют протектор.

Разработанный способ изготовления преобразователя позволяет получить пьезопреобразователь с высокой стойкостью работы в заданном интервале рабочих температур. Обусловлено это тем, что внутренние напряжения в демпфирующем композиционном материале становятся равными нулю около температуры стеклования.

Таким образом, плавный переход демпфирующего материала от твердого (около пьезоэлемента) до каучукоподобного состояния позволяет получить высокое значение коэффициента поглощения упругих колебаний, ушедших в демпфер, что способствует формированию пьезопреобразователей коротких акустических (электрических) сигналов, неискаженных акустическими помехами, и, следовательно, приводит к повышению качества пьезопреобразователя.

Формула изобретения

Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя, заключающийся в том, что пьезоэлемент устанавливают и фиксируют в глухом отверстии литьевой формы, заливают последнюю демпфирующей композицией, отверждают ее, извлекают демпфер с приклеенным пьезоэлементом, отличающийся тем, что демпфер отверждают с переменной температурой стеклования с максимальной у пьезоэлемента и минимальной у свободного конца (тыльной стороны).