RU2648301C1

RU2648301C1 - Ultrasonic transducer

Info

Publication number: RU2648301C1
Application number: RU2016150919A
Authority: RU
Inventors: Игорь Вячеславович Соколов; Владимир Климентьевич Качанов; Михаил Алексеевич Караваев; Сергей Владимирович Лебедев; Максим Борисович Федоров
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-03-23

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention is meant to be used for in case of flaw detection, structurroscopy and thickness measurement of concrete products and products from rocks. Summary of the invention is that ultrasonic transducer contains a piezoelectric element with a flat working surface, the first and the second side surfaces of which are plane-parallel and oriented perpendicular to the working surface, the piezoelectric element is polarized perpendicularly to the lateral surfaces, and the electrodes are applied to the side surfaces, each of the electrodes on the side surfaces is divided into N identical sections, and the first electrode section of the second side surface is electrically connected to the second section of the first side surface, the N-1 electrode section of the second side surface is electrically connected to the N section of the first side surface, and the first electrode section of the first side surface and the N electrode section of the second side surface are outputs of the piezoelectric transducer.

EFFECT: increase in the efficiency of the ultrasonic transducer in the reception mode.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при построении высокочувствительной аппаратуры для дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии, работающих в широком диапазоне частот, в частности, при исследовании крупноструктурных и неоднородных материалов, таких как бетоны, пластики и горные породы.The invention relates to the field of measurement technology and can be used in the construction of highly sensitive equipment for defectoscopy, structuroscopy and thickness measurement, operating in a wide frequency range, in particular, in the study of coarse-grained and heterogeneous materials, such as concrete, plastics and rocks.

Известен ультразвуковой преобразователь, работающий на продольной моде колебаний (Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / СПб.: СВЕН, 2007. - 296 с.) и содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского диска, рабочая поверхность которого акустически контактирует с контролируемым объектом, и демпфер, закрепленный с возможностью акустического контакта на противоположной поверхности пьезоэлемента, причем пьезоэлемент поляризован перпендикулярно своей рабочей поверхности, а электроды нанесены на рабочую и противоположную поверхности.A known ultrasonic transducer operating in the longitudinal mode of oscillations (Kretov EF Ultrasonic flaw detection in power engineering / St. Petersburg: SVEN, 2007. - 296 p.) And containing a piezoelectric element made in the form of a flat disk, the working surface of which is acoustically in contact with the controlled object and a damper fixed with the possibility of acoustic contact on the opposite surface of the piezoelectric element, the piezoelectric element being polarized perpendicular to its working surface, and the electrodes deposited on the working and counter positive surface.

Недостатком известного технического решения являются невозможность оперативной подстройки резонансной частоты, т.к. эта операция предполагает изменение резонансной высоты пьезоэлемента, что сопровождается разрушением электрода на поверхности пьезоэлемента, противоположной рабочей поверхности, а также низкая эффективность электроакустического преобразования в режиме приема вследствие высокого значения электрической емкости пьезоэлемента.A disadvantage of the known technical solution is the inability to quickly adjust the resonant frequency, because this operation involves changing the resonant height of the piezoelectric element, which is accompanied by the destruction of the electrode on the surface of the piezoelectric element opposite the working surface, as well as the low efficiency of electroacoustic conversion in the receiving mode due to the high value of the electric capacity of the piezoelectric element.

Наиболее близким к изобретению по технической является ультразвуковой преобразователь (АС СССР №1786685, МПК В06В 01/02, H04R 17/10, опубл. 07.01.1993), содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности. Такой пьезоэлемент, работая на поперечной моде колебаний в режиме излучения зондирующего сигнала, особенно в низкочастотном ультразвуковом диапазоне, по эффективности формирования ультразвуковой волны в контролируемом объекте превосходит преобразователь, работающий на продольной моде колебаний, при которой направление излучения (приема) акустической волны совпадает с направлением вектора поляризации. Это объясняется тем, что при одинаковых амплитуде возбуждающего сигнала на выходе генератора зондирующего сигнала и площади рабочей поверхности напряженность электрического поля внутри пьезоэлемента с поперечной модой колебаний, а значит и амплитуда генерируемого акустического сигнала, в десятки раз больше, чем напряженность электрического поля в пьезоэлементе, возбуждаемого в режиме излучения на продольной моде колебаний.The closest to the invention in technical terms is an ultrasonic transducer (USSR AS No. 1786685, IPC V06V 01/02, H04R 17/10, publ. 07.01.1993) containing a piezoelectric element with a flat working surface, the first and second side surfaces of which are made plane-parallel and oriented perpendicular to the working surface, the piezoelectric element is polarized perpendicular to the side surfaces, and the electrodes are deposited on the side surfaces. Such a piezoelectric element, operating on the transverse mode of oscillation in the radiation mode of the probe signal, especially in the low-frequency ultrasonic range, is superior in efficiency to the formation of an ultrasonic wave in a controlled object with a transducer operating in the longitudinal mode of vibration, in which the direction of radiation (reception) of the acoustic wave coincides with the direction of the vector polarization. This is explained by the fact that for the same amplitude of the exciting signal at the output of the probe signal generator and the area of the working surface, the electric field inside the piezoelectric element with a transverse mode of oscillation, and hence the amplitude of the generated acoustic signal, is ten times greater than the electric field in the piezoelectric element excited in the radiation mode on the longitudinal mode of oscillations.

Однако функциональные возможности и сфера использования технического решения, принятого в качестве прототипа, ограничены существенным недостатком, суть которого состоит в том, что эффективность его работы в режиме приема значительно ниже эффективности работы в аналогичном режиме пьезопреобразователя с продольной модой возбуждения.However, the functionality and scope of use of the technical solution adopted as a prototype are limited by a significant drawback, the essence of which is that the efficiency of its operation in the reception mode is significantly lower than the efficiency in the similar mode of a piezoelectric transducer with a longitudinal excitation mode.

Техническая задача изобретения заключается в повышении эффективности его работы в режиме приема.The technical task of the invention is to increase the efficiency of its operation in the reception mode.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ультразвукового преобразователя за счет разделения по площади каждого из пары исходных электродов, расположенных на боковых поверхностях пьезоэлемента, на N пар электродов по площади меньших размеров и электрически последовательного соединения вновь сформированных электродов.The technical result of the invention is to increase the operational characteristics of the ultrasonic transducer by dividing by the area of each of the pair of source electrodes located on the side surfaces of the piezoelectric element into N pairs of electrodes by smaller area and electrically series connection of the newly formed electrodes.

Это достигается тем, что в известном ультразвуковом преобразователе, содержащем пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.This is achieved by the fact that in the known ultrasonic transducer containing a piezoelectric element with a flat working surface, the first and second side surfaces of which are made plane-parallel and oriented perpendicular to the working surface, the piezoelectric element is polarized perpendicular to the side surfaces, and the electrodes are deposited on the side surfaces, each of the electrodes on the side surfaces divided into N identical sections, the first section of the electrode of the second side surface being electrically connected to the second section the first side surface, the N-1 section of the electrode of the second side surface is electrically connected to the N section of the first side surface, and the first section of the electrode of the first side surface and the N section of the electrode of the second side surface are the outputs of the piezoelectric transducer.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен пьезопреобразователь с тремя электрически независимыми секциями пьезоэлемента с вертикальной ориентацией секций ультразвукового преобразователя. Однако в общем случае пространственная ориентация секций может быть произвольной.The invention is illustrated by the drawing, which shows a piezoelectric transducer with three electrically independent sections of the piezoelectric element with a vertical orientation of the sections of the ultrasonic transducer. However, in the general case, the spatial orientation of the sections can be arbitrary.

Ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент 1, первая боковая поверхность 2 и вторая боковая поверхность 3 которого выполнены плоскопараллельными, рабочая поверхность 4 пьезоэлемента 1 ориентирована перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, пьезоэлемент 1 поляризован перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 нанесен на первую боковую поверхность 2, а электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 нанесен на вторую боковую поверхность 3, на первую боковую поверхность 2 нанесены дополнительно N электродов 2.2…2⋅(N+1), где N - целое число и N>1, и на вторую боковую поверхность 3 нанесены дополнительно N электродов 3.2…3⋅(N+1), все 2⋅(N+1) электродов имеют одинаковую конфигурацию, ориентацию и размер, причем первый электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется со вторым электродом 2.2 первой боковой поверхности 2, второй электрод 3.2 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с третьим электродом 2.3 первой боковой поверхности 2, …, N-й электрод 3⋅N второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с N+1 электродом 2⋅(N+1) первой боковой поверхности 2, а первый электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 и (N+1)-й электрод 3⋅(N+1) второй боковой поверхности 3 используются в качестве выходов 5 и 6 ультразвукового преобразователя.The ultrasonic transducer contains a piezoelectric element 1, the first side surface 2 and the second side surface 3 of which are made plane-parallel, the working surface 4 of the piezoelectric element 1 is oriented perpendicular to the side surfaces 2 and 3, the piezoelectric element 1 is polarized perpendicular to the side surfaces 2 and 3, the electrode 2.1 of the first side surface 2 is deposited on the first side surface 2, and the electrode 3.1 of the second side surface 3 is deposited on the second side surface 3, an additional N e is deposited on the first side surface 2 of electrodes 2.2 ... 2⋅ (N + 1), where N is an integer and N> 1, and on the second side surface 3 additional N electrodes are applied 3.2 ... 3⋅ (N + 1), all 2⋅ (N + 1) electrodes have the same configuration, orientation and size, with the first electrode 3.1 of the second side surface 3 electrically connected to the second electrode 2.2 of the first side surface 2, the second electrode 3.2 of the second side surface 3 electrically connected to the third electrode 2.3 of the first side surface 2, ..., Nth electrode 3⋅N of the second side surface 3 is electrically connected to N + 1 electrode 2⋅ (N +1) of the first side surface 2, and the first electrode 2.1 of the first side surface 2 and the (N + 1) th electrode 3⋅ (N + 1) of the second side surface 3 are used as outputs 5 and 6 of the ultrasonic transducer.

Ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.Ultrasonic transducer operates as follows.

Пьезоэлемент 1 с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение V на этом конденсаторе определяется следующим выражением [2]:The piezoelectric element 1 with the electrodes deposited on it is a capacitor having a capacitance C. The voltage V on this capacitor is determined by the following expression [2]:

где Q - заряд, накопленный в конденсаторе; d₃₁ - пьезомодуль; F - сила, приложенная к пьезоэлементу; S_э - площадь электрода; ε₀ - электрическая постоянная; ε- диэлектрическая проницаемость.where Q is the charge accumulated in the capacitor; d ₃₁ - piezoelectric module; F is the force applied to the piezoelectric element; S _e - electrode area; ε ₀ is the electric constant; ε is the dielectric constant.

При делении каждого пьезоэлемента 1 на N секций, площадь S_c секции электрода равна S_c=S_э/N, а сила, воздействующая на рабочую поверхность 4 секции пьезоэлемента F_c=F/N. Таким образом, напряжение V_c, снимаемое с каждой секции, оказывается равным напряжению V, снимаемому с общей площади электрода.When dividing each piezoelectric element 1 into N sections, the area S _{c of} the electrode section is S _c = S _e / N, and the force acting on the working surface 4 of the piezoelectric element F _c = F / N. Thus, the voltage V _c taken from each section is equal to the voltage V taken from the total area of the electrode.

Электрически последовательное соединение трех секций пьезоэлемента, показанное на чертеже, приводит к тому, что напряжение V, снимаемое с пьезоэлемента, возрастает также в три раза.The electrically serial connection of the three sections of the piezoelectric element shown in the drawing leads to the fact that the voltage V taken from the piezoelectric element also increases three times.

Значение N следует выбирать с учетом величины суммарной паразитной электрической емкости С_Σ соединительных цепей и входного каскада приемного тракта, а именно: С_п/N² >> С_Σ, где С_п - величина электрической емкости пьезоэлемента. Так, для пьезопреобразователя, обладающего величиной электрической емкости С_п=10000 пФ и значении паразитной емкости С_Σ=25 пФ, значение N<3…5.The value of N should be selected taking into account the value of the total stray electric capacitance C _{Σ of the} connecting circuits and the input stage of the receiving path, namely: C _p / N ² >> C _Σ , where C _p is the magnitude of the electric capacitance of the piezoelectric element. So, for a piezoelectric transducer having a value of electric capacitance C _p = 10000 pF and a value of parasitic capacitance C _Σ = 25 pF, the value N <3 ... 5.

Использование изобретения при приеме ультразвуковых колебаний обладает высокой эффективностью электроакустического преобразования и может найти широкое применение в качестве конструктивной основы раздельно-совмещенных фазированных антенных решеток ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций из бетона в строительной индустрии.The use of the invention when receiving ultrasonic vibrations has a high efficiency of electro-acoustic conversion and can be widely used as a structural basis for separately combined phased antenna arrays of ultrasonic tomographs intended for thickness gauging and flaw detection of various concrete products and structures in the construction industry.

Claims

An ultrasonic transducer containing a piezoelectric element with a flat working surface, the first and second side surfaces of which are made plane-parallel and oriented perpendicular to the working surface, the piezoelectric element is polarized perpendicular to the side surfaces, and the electrodes are deposited on the side surfaces, characterized in that each of the electrodes on the side surfaces is divided into N identical sections, the first section of the electrode of the second side surface being electrically connected to the second section of the first side th surface, N-1 section a second side surface electrode is electrically connected with the N first side surface section and the first section of the first side surface electrode and N electrode section of the second side surface are the outputs of the piezoelectric transducer.