Дифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

 

658469

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЙЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 22.12.77 (21) 2559883/18-10 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл.

G 01 и 29/04

Н 04 R 17/00

Государственный комитет

СССР по делам изооретеиий н открытий

Опубликовано 25.04.79. Бюллетень № 15

Дата опубликования описания 29.04.79 (53) УДК 620.!79. .16 (088.8) (72) Автор. изобретения

М. В. Королев (71) Заявитель (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопической и измерительной аппаратуре.

Известны бинарно-сравнительные ультразвуковые головки (1), содержащие пьезоэлемент, образованный кварцевым вибратором и электродами, и схему для согласования пьезоэлемента с приемником и генератором ультразвуковых колебаний.

Наиболее близким по технической сущности

1О к изобретению является дифференциальныи ультразвуковой пьезопреобразователь 12), содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами, подключенными к возбуждающему генератору и приемному усилителю.

Недостатком такого пьезопреобразователя

15 является узкополосность из-за применения в нем полуволновой принципиально резонансной пластины, что исключает на практике возможность излучать и принимать с его помощью короткие (2-5 10- с) одно- и двухполярные в 20 акустические импульсы и не позволяет плавно регулировать рабочую частоту в широких пределах.

Цель изобретения — расширение полосы рабочих частот, Это достигается тем, что пьезоэлектрический элемент выполнен в виде цилиндра, равномерно поляризованного по всему объему в направлении, перпендикулярном его основаниям, на одно из которых нанесены два электрода, выполненные в форме крутовых сегментов, и кольцевой электрод, при этом кольцевой электрод подключен к возбуждающему генератору через два соединенных встречнопараллельно диода, один из электродов в форме кругового сегмента подключен к приемному усилителю, а другой — заземлен, причем между собой электроды в форме круговых сегментов соединены двумя включенными встречно-параллельно диодами, На фиг. 1 и 2 изображены две проекции описываемого дифференциально ультразвукового пьезопреобразователя, Преобразователь содержит пьезоэлектрический элемент 1, электроды 2, 3, 4, диоды 5 в цепи его подключения к возбуждающему генератору и диоды 6 в цепи подключения к при658469 емному усилителю. Электрод 4 подключен к генератору импульсов напряжения, Электрод 3 заземлен непосредственно, а электрод 2 практически заземлен через пару проводящих в обоих направлениях диодов 6, включен««ыл, встречно-параллельно. Последнее условие выполняется при возбуждении пьезапреобразователя импульсами напряжения, превышающими по амплитуде напряжение (0,3-0,7 В) "пятки" на вольтамперной характеристике диодов. На практике это имеет место, так как амплитуда возбуждающего напряжения составляет обь«ч««о

50-100 В и более. Возбуждающие импульсы напряжения создают около электродов 3, 4 и

5 электрическое поле, которое в силу обратного пьезоэффекта приводит к смещениям поверхности, на которую нанесены электроды, Поскольку направление вектора поляризации пьезокерамики одинаково по отношению ко всем электродам и, в част««ости, к электродам

2 и 3, то фаза колебаний поверхности пьезо29 элемента, несущей эти электроды, одинакова.

В.режиме приема ультразвуковых колебаний, излуче«п«ых участками верхнего основания пьезоэлемента, несущего электроды 2, 3 и при:.

И одинаковых условиях распространения и отражения ультразвуковых лучей под каждым из этих электродов фаза, амплитуда и форма акустического сигнала, приходящего на.эти же электроды, будут одинаковы. Это вызовет на каждом из симметричных электродов 2, 3 появление одинаковых по величине и по знаку электрических зарядов, что не даст никакой разности потенциалов между этими электродами, а значит, и электрического сигнала на вхо3$ де приемного усилителя, вход которого включен (фиг. 1) между этими электродами, В режиме приема диоды 6 не шунтируют вход приемного усилителя, так как на практике амплитуды сигналов, снимаемых с пьезоэлемента, не

° 9 превышают сотен мк — десятков мВ, что много меньше упоминавшейся "пятки" диодов 6.

Диоды 5, включенные встречно-параллельно пре дотвращают шунтирование в режиме приема через емкость между электродом 4 и электродами 2 и 3 сигналов на электродах 2 и 3 малым выходным сопротивлением возбуждающего генератора.

Появление любого обстоятельства, нарушающего симметрию в акустических лучах под элект- 6 родами 2 и 3, неизбежно приведет к появлению разницы в величине электрических зарядов на электродах 2 и 3, а значит, и напряжения

"разбаланса" на входе приемного усилителя.

Нарушение этой симметрии может быть вызвано на практике появлением дефекта в объеме, "прозвучиваемом" предложенным пьезоэлектрическим преобразователем.

Поскольку исто пшко«л акустических колебаний является только поверхность пьезоэлемента, несущая электроды, и толщина (высота) его не имеет принципиального значения и влияния на процесс возбуждения колебаний, то в силу линейности пьезоэффекта пьезоэлектрический преобразователь апериодичен и полоса его рабочих частот сверху ограничивается практически только чистотой поверхности, на которую нанесены электроды, то есть десятками и сотнями МГц, Это справедливо, если тыльная сторона пьезоэлемента имеет форму конуса— акустической ловушки, как это показано на фиг. 1 пунктиром, а также на отрезке времени, равном отношению толщины (высоты) h ш езоэлемента 1 к скорости распространения продольных акустических волн в материале этого пьезоэлемента, если последний излучает не вверх по фиг. 1, как при наличии конуса (например, в иммерсионную среду), а вниз по фиг. 1, когда тело пьезоэлемента играет роль твердотельной ультразвуковой линии задержки. в контактном варианте контроля изделий.

Описанная конструкция преобразователя позволяет повысить чувствительность дефектоскопа, работающего по дифференциальному методу контроля. Кроме того, применение пьезопреобразователя позволяет количественно оценить степень искажения акустических полей ультразвуковых пьезопреобразователей отражательными или активными пьезоэлектрическими микрозо««дами, применяющимися для снятия диаграмм направленности и кривых чувствительности стандартных и экспериментальных пьезопреобразователей.

Формула изобретения

Дифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами, под. ключенными к возбуждающему генератору и приемному усилителю, отличаю щийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, пьезоэлектрический элемент выполнен в виде цилиндра, равномерно поляризованного по всему объему в направлении, перпендикулярном его основаниям, на одно из которых нанесены два электрода, выполненные в форме круговых сегментов, и кольцевой электрод, при этом кольцевой электрод подключен к возбужда«ощему генератору через два соединенных встречно-параллельно диода, один из электродов в форме крутового сегмента подключен к приемному усилителю, а друтой— заземлен, причем между собой электроды в

658496

5 форме круговых сегментов соединены двумя включенными встречно-параллельно диодами.

Источники информа ши, причятые во внимание при экспертизе

К усилилелю

"ератару

Составитель Е. Артамонова

Техред JL Алферова Корректор И.Муска

Тираж 1089 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП " Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор С. Хейфиц

Заказ 2902/59

1. Авторское свидетельство СССР У 256327, кл. G 01 N 29/04, 1969.

2. Барышев С. Е. и Давыдов В. Г. Дифференциальный метод ультразвукового контроля.

5 "Дефектоскопия", М 5, 1970.