Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления

 

Использование: в средствах неразрущающего контроля. Сущность изобретения: преобразователь содержит активный пьезоэлектрический элемент и демпфер, выполненные из одного пьезокерамического материала . В материал демпфера введена органическая добавка в количествах, обеспечивающих при формировании демпфера равномерный градиент концентрации последней вдоль продольной оси демпфера. Заготовку активного элемента сопрягают через электрод с демпфером в области нулевой концентрации органической добавки в материале последнего спрессовывают и подвергают термообработке . При этом значения плотности и скорости звука материала демпфера монотонно убывают вдоль оси преобразователя в направлении свободного конца стержня при равенстве значений указанных параметров в месте сопряжения с соответствующими параметрами активного элемента . Поляризацию заготовки активного элемента осуществляют после соединения его с демпфером. 2 с .п.ф-лы, 2 ил.

.(l9) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РеспуБдик (51)з Н 04 R 17/00, 31/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ .

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

: 1 -:".: -:--1 : -::. ::: ". -:. :." --::; .::: . : 2 (21) 4857344/10 ..; -,::, .:;: .: нен (22) 07.08.90 ..: .:..: .:-:; " -:. териала. В материал демпфера введена ор(46) 15.12.92, Бюл. hb 46 . ::,,:.. ганическая добавка в количествах, (71) Особое конструкторско-технологиче-".:-::обеспечивающих при формировании деское бюро "Пьезоприбор" при Ростовском . мпфера равномерный градиент концентра университете: —::::,.-, .,:::. : :.ции последней вдоль продольной оси (72) B.Ê.Äîëÿ, Ю.А.Вусевкер, Г.К.Ладакин и демпфера. Заготовку активного элемента

А.Е.Панич .: . : ..-.:,:. ...,:: сопрягают через электрод с демпфером в (56) Домаркас В;И.. КажиС Р.-Ю. Контроль-::. области нулевой концентрации органиче но-измерительныепьезоэлектрическиепре- . ской добавки в материале последнего образователи, Вильнюс. Минтис, 1975, стр. спрессовывают и подвергают термообра192-206; ., . - ..:. ";: " ботке. При этом значения плотности и скоАвторское свидетельство СССР: : рости звука материала -демпфера

М 1504605. кл. Н 04 Я 17/00, 1988.: . монотонно убывают вдоль оси преобразова(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОЬРА-. теля в направлении свободного конца стерЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕ- жня при равенстве значений указанных

НИЯ ..: :: .: - ::::,. .::.:. параметров в месте сопряжения с соответ- Б (57) Использование: в средствах неразруща-: . ствующими параметрами-активного элемен- ющего контроля. Сущность изобретения:,та. Поляризацию заготовки aêòèâíoão преобразовательсодержитактивныйпьезо- . элемента осуществляют после соединения электрический элемент и демпфер, выпол- его с демпфером. 2 с .п.ф-лы; 2 ил. Ф

Ъ

Изобретениеотносится к ультразвуковой близкий к волновому сопротивлению пьезо измерительной технике, а именно к ультра-:: элемента и большой коэффициент затуха- О© звуковым широкополосным пьезоэлектри- ния ультразвука. Для удовлетворения этих . ческим преобразователям, технологии их требований в качестве материала демпфе- QO изготовления и может быть использовано ров применяют компаунды из гелия, олова. 1 ф . прй разработке средств неразрушающего и никеля:, порошка вольфрама и олова, а фь контроля.: :: .., .:: - .: -: также композициойные материалы, состояИзвестны пьезоэлектрические преобра- щие из рвссеивателей и связующего компо- Р . зователи, содержащие опытный пьезоэле- нента. В качестве первых используются ментимеханическийдемпфер, состоящийс . — порошки тяжелых мЕталлов и их окислов. а ним s акустическом контакте.. в качества вторых.- смолы или компаунды, При изготовлейиипреобразователя ак-, Недостатком известных пьезоэлектриI тивный пьезоэлемент приклеивают или при- ческих преобразователей, изготовленных паивают к демпферу.

Для обеспечения эффективной работы описанйым спос()бом, является весьма ограничейный температурный диапазон их преобразователя материал демпфера должен иметь характеристический импеданс, Функционирования из-за присутствия в материале демпфера в качестве связующего

1781844 компонейта клея, разлагающегося при температурах 200-250= С.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству является преобразователь, содержащий активный пьезоэлементс элек- 5 тродами, демпфер, жестко связанный с электродами пьезоэлемента, причем демпфер выполнен с монотойно убывающей вдоль продольнои"оси преобразователя в сторону его свободно" конца плотностью. 10

Наиболее близким аналогом к заявленному способу изготовления Ъреобразователя является способ, заключающийся в формировании заготовки активного пьезоэлектрического элемента, ее поляризацию, 15 формиравэние заготовки демпфера, сопряжеийе частоты активного пьезоэлектрического элемента и заготовки демпфера, жесткое соединение заготовок. В способе-прототипе демпфер изготав- 20 ливают следующим образом. Массу"компаунд-наполнитель в процессе ее отвердения подвергают вибрационной обработке; в ре-. зультате которой более тяжелые частицы . наполнителя опускаются вниз к поверхно- 25 сти, которая в дальнейшем приклеиваетоя к пьезопластине. Характеристический импе данс массы демпфера достигает в максиму- .. ме (12-18)10 Нсм/м .

Недостатком акустического пьезообра- 30 зователя-flpoToTNll8 является ограничен ный температурный диапазон, а способ йэготовления-прототий характеризуется

, . наряду с этим сложностью и нетехнологич ность ю. - 35

Кроме того, характеристичеСкий импеданс демпфера практически не удается сравнять с волновым сопротивлением пьезоэлемента, что в конечном счете приводит к отражению акустических волн на границе 40

"пьезоэлемен - демпфер" и, следовательно, к йскажению" акустических характеристик . преобразователя и снижению эффективности ее работы.

При известном способе изготовления 45 . преобразователя налйчие клеевого (йли паянного) соединения между пьезоэлементом и демпфером значительно снижает входное . сопротивление демпфера, а сильное разли чие-температурных коэффициентов линей- 50 ного расширения матерйалов демпфера и йьезоэлемента,"выйолненных из различных материалов, ограниЧйвает температурный диапазон работы преобразователя.

Целью настоящего предполагаемого 55 изобретения является расширейие диапа, зона рабочих температур, улучшенйе акустических характеристик и упрощение способа изготовления пьезоэлектрического преобразователя.

Поставленная цель достигается при совместном использовании заявляемых пьезоэлектрического преобразователя и способа его изготовления.

Для этого в пьезоэлектрическом преобразователе активный пьезоэлемент связан с демпфером диффузно, демпфер выполнен из пьезокерамического материала того же состава, что и активный пьезоэлектрический элемейт, а акустические. импедансы ак-. ° тивного пьезоэлектрического элементм и демпфера в зоне их сопряжения равны.

Способ изготовления предлагаемого преобразователя заключается в том, что демпфер и заготовку активного элемента изготавливают из пьезокерамического материала одного и того же состава, .при формировании заготовки демпфера в его материал вводят органическую добавку, за-. тем сопрягают заготовки в области нулевой концентраций органической добавки в демпфере и обеспечивая равномерный градиент концентрации добавки вдоль продольной оси демпфера, спрессовывают заготоаки и подвергают термообработке. после чего осуществляют поляризацйю заrîòîâêè актйвйого.элемента.

Выполнение пьезоэлектрического преобразователя в виде моноблока, образованного активным пьезоэлементом ц демпфером, изготовленными из одного и то-. го же пьезокерамического материала, obeG- . печивает1 его работоспособность в широком диапазоне температур, совпадающем с рабочим диапазоном температур применяем ого пьезоэле ктр"ика, т.е. температурные коэффициенты линейного расширения пьезоэлемента и демпфера совпадают благодаря отсутствию в материале демпфера органических связующих

Совпадением характеристических импедансов активного пьезоэлемента и деМпфера в области их сопряжения обеспечивает высокую эффективность пьезопреобразователя благодаря отсутствию отраженного: сигнала, т.к, акустический сигнал полностью затухает в материале демпфера, который выполнен так, что плотность и скорость звука его монотонно убывает в сторону свободйого конца демпфера, обеспечивая монотонное быстрое увеличение коэффициейта затухания.

Это достигается предполагаемой технологйей изготовления демпфера с переменной по длине концентрацией органической добавки. вводимой в материал демпфера.

После обжига демпфер обладает переменными по длине плотностью и скоростью звука. Регулируя концентрацию вводимой в материал демпфера органической добавки, I 781844

6 получают задайййе значения указанных па- . металлизацию и поляризацию пьезоэлераметров. ...мента в составе моноблока.

На фиг. 1 изображен предполагаемый В таблице представлены эксперименпьезопреобразователь; нафйг,2 — осцилло- тальные результаты измерения зависимо граммы полезного сигнала устройства-про- 5 сти плотности и скорости звука тотипа (фиг. 2а) и заявляемого устройства пьзоматериала ЦТС-26 от количества вне(фиг, 2б)..:., .. сенного органического вещества., Пьезоэлектрический преобразователь Видно, что вйесение в исходный матевыполнен в вйде моноблока из сегментопь- риал до 25 мас.% органической добавки езокерамики, разделенного электродом 1 10 снижает плотность до 5,5 10. кг/м . а скона поляризованный активный пьезоэлемент рость звука до 800 м/с. Последнее приводит

2 и демпфер 3 с переменными по длине: к резкому увеличению коэффициента затуплотностью и скоростью звука. убывающи.- . хания, ми по величине значениями в сторону сва - Проведенные эксперименты показали, бодного конца демпфера от электрода. В 15 что в изготовлейии к заявленному способу качестве материала моноблока используют- демпфера из материала ЦТС-26, имеющему ся пьезокерамические материалы ЦТС-26 размеры(Ф20х30) плотностьюотсутствует или ТНа В-1 (ОСТ 11-0444 — 87), которые об- отраженный сигнал, т.е. демпфер является ладают высокой. стабильностью параметров 20 хорошим поглощающим элементом.

: в диапазонах температур от-196 до 300 и Из представленного описания вйдно, 500 C. В качестве органической добавки, чтопредлагаемыйспособизготовления пьевводимой в материал демпфера. использу- зоэлектрического преобразователя значи:ют например, муку; тельно проще по сравнению с изЬестными

Заявляемый пьезоэлектрический пре- 25 аналогами, обеспечивает механическую образователь изготавливают следующим прочность конструкции, высокую термообразом., ударнуюпрочностьи высокуюстабильность

Заготавливают пресс-порошок пьезо- характеристикпреобразователя как воблакерамического материала с различной кон- сти низких (1 — 196 С), так и в области высоцентрацией органического вещества (О; 5: 30 ких температур (до+300-500 С)., 10; 15; 20; и 25 мас.%). Последнее, как будет Использование указанного решения показано далее, достаточно для получения - позволит реализовать ранее невозможную керамического материала разной плотности дефектоскопию объектов в области высоких и скорости звука. Далее производят необхо- температур. . димуа дозировку материалов с приведен- 35 ными выше концентрациями и Формула йзобретения предварительное прессование заготовок. : 1. Пьезоэлектрический преобразоваНа одной из торцевых поверхностей за- тель, содержащий активный пьезоэлектриготовок с нулевой концентрацией добавки ческий, элемент, два электрода,. наносят электрод из плотйосодержащей па- 40 расположенных на противоположных посты. ..: .,:: " ., :;::..... :-.-:: - . верхностях активного пьезоэлектрического

Затем заготовки размещают в ripecc-. элемента, демпфер с переменным по про. форме в следующей последовательности; дольнойоси.акустическим импедансом,же на нижнем пуансоне размещают заготовку стко связанный с пьезоэлементом через будущего чувствительного. элемента, элект- 45 один из электродов, о т л и ч à ю шийся род, на нем размещают элементы будущего тем, что, с целью расширения диапазона демпфера в последовательности нараста- рабочихтемпературиувеличения раэрешания концентраций органического вещества, ющей способности, активный пьезоэлектпосле чего производят одноосное пресСова- рический элемент связан с демпфером ние под давлением 800-1000 кг/см . 50 диффузно, демпфер выполнен из пьезокег

Обжиг производят двухсторонний. При рамического материала того же состава; что температуре 3000 С в течение 4-х ч испаря- и активный пьезоэлектрический элемент, а ют органическую добавку (в этом заключа- акустические импедансы активного пьезоэется механизм получения разных плотности: лектрического. элемента и демпфера в зоне и скорости звука) .затем производят спека- 55 их сопряжения равны. ние заготовки пьезопреобразавателя при оптимальной температуре обжига данного. 2. Способ изготовления ньезоэлектриконкретного пьезоматериала. Далее произ- ческого преобразователя, включающий водят шлифовку активного пьезоэлемента формирование заготовки активного пьезоэпьезопреобразователя с учетом требования лектрического элемента, размещение элекполучения заданной резонансной частоты, тродов на противоположных поверхностях

1781844

10

Уас о

6,7

6,2

5,9

7,4

7,0

Плотность, кгlм

Скорость звука, м/сек 10

5,5

3,2

0,8

3,3

1,7

2,8

3,0 заготовки активного пьезоэлектрического элемента, ее поляризацию, формирование заготовки демпфера, сопряжение заготовки актйвного-пьезоэлектрического элемента и заготовки:демпфера, жесткое соединение 5 заготовок, о т л и ч а ю щ и и c я тем, что, с целью упрощения технологии изготовления, обеспечения возможности расширейия диапазона рабочих температур и paspeuiaющей способности преобразователя. заго- 10 товки демпфера-: и . активного пьезоэлектрического элемента формируют из пьезокерамического материала одйого и того: же состава; а сопряжение и жесткое .соединение заготовок производят до поля- 15 ризации заготовки активного йьезоэлектрического элемента. причем при формировании заготовки демпфера в ее материал вводят органическую добавку, сопряженйе заготовки активного пьезоэлектрического элемента с заготовкой демпфера осуществляют в области нулевой концентрации,органической добавки, . обеспечивая равномерный градиент концентрации органической добавки по продольной оси заготовки демпфера, жесткое соединение заготовок производят их спрессованием, после жесткого соединения заготовок их подвергают термообработке, а поляризацию заготовки активного пьезоэлектрического элемента осуществляют йосле термообработки.

1781844

Составитель А.Майковская

Техред М.Моргентал Корректор А.Мотыль

Редактор

Заказ 4283 Тираж. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-.36, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, (01 е

Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области боростроения, в частности к конструирШанию и способам изготовЛ ения мощных электроакустических преобразователей энергии

Изобретение относится к приборостроению

Изобретение относится к электроакустике

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к приборостроению

Изобретение относится к ультразвуковому контролю, может быть использовано при создании ультразвуковых пьезокерамических преобразователей

Изобретение относится к области технической гидроакустики, в частности к созданию устройств для генерирования низкочастотных гидроакустических сигналов , и может быть использовано в устройствах по исследованию океана и в технологических устройствах

Изобретение относится к а кустике .«Цель изобретения - расширение частотного диапазона

Изобретение относится к области гидроакустики

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, дефектоскопии,диагностике и измерению физических величин с помощью ультразвука

Изобретение относится к электроакустике

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение в ультразвуковых измерительных устройствах или в устройствах воздействия ультразвуком преимущественно в газовой среде

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям и устройствам для озвучивания жидкости и может быть использовано в радиотехнической, машиностроительной и других отраслях промышленности
Наверх