Fizičko tehnička merenja
– Laboratorijski vežba –
Piezoelektrični pretvarači i impulsni ultrazvučni defektoskop
strana 1 od 9
V VEŽBA
5.
PIEZOELEKTRIČNI PRETVARAČI
I IMPULSNI ULTRAZVUČ
NI
DEFEKTOSKOP – PRIMENA U ISPITIVANJU MATERIJALA I MERENJIMA
Piezoelektrični efekat
–
konverzija mehaničke energije u elektičnu i obrnuto. Direktni efekat
–
dejstvom mehaničke veličine (npr. sile) na piezoelektričnoj pločici se generiše naelektrisanje.
Inverzan –
unošenjem piezoelektrične pločice u naizmenično električno polje dolazi do promene
njenih dimenzija, što se koristi za generisanje ultazvuka.Piezoelektični pretvarači se koriste za
merenje meh
aničkih veličina: sile, ubrzanja, pritska, itd. Ne mogu meriti statičke veličine. Gornja
granična frekvencija zavisi od dimenzija (osciluje kao polutalasni rezonator) i može iznositi i
nekoliko MHz.
Ultrazvuk je mehanički talas u osegu frekvencija iznad 20
kHz. Prilikom prostiranja
ultrazuka na granici dve sredine dolazi do njegove refleksije što se može iskoristiti za razne tipove
merenja. Ultrazvučna defektoskopija podrazumeva otkrivanje defekata u toku procesa proi
zvodnje
raznih predmeta, jer se pri svakoj nehomegenosti u materijalu javlja refleksija. Merenjem vremena
između poslatog i reflektovanih impulsa moguće je odrediti položaj i veličinu defekta. Merenjem
brzine prostiranja ultrazvuka mogu se odrediti i druge karaktaristike materijala.
5.1.
ZADATAK VEŽBE
a)
Odrediti rezonantnu i antirezonantnu frekvenciju piezolektri
č
nih pretvara
č
a na maketi.
b)
Na osnovu podataka dobijenih u ta
č
ki a) odrediti moduo elasti
č
nosti
Y
E
za cilindri
č
ni kerami
č
ki
piezoelektri
č
ni pretvara
č.
c)
Izvrsiti kalibraciju vremenske baze defektoskopa pomo
ć
u datih menzura sa vodom.
d)
Izmeriti brzinu zvuka u šipkama od gvoz
đ
a, aluminijuma, bakra, mesinga i u visokonaponskom
kerami
č
kom izolatoru. Rezultate uporediti sa tabli
č
nim podacima i izra
č
unati relativna odstupanja
merenja.
e)
Posmatrati slike defekata (izbušenih rupa) u metalnim šipkama i visokonaponskoj keramici
stavljaju
ć
i ultrazvu
č
nu glavu sa obe strane uzoraka.
Uočiti uticaj udaljenosti defekta na mogućnost
njegovog otkrivanja.
5.2.
TEORIJSKI OSNOVI
Piezoelektrični efekt predstavlja vid konverzije mehaničke energije u
električnu i obrnuto.
Piezoelektrični materijali predstavljaju, u električnom pogledu, izolatore a pretvarači se proizvode u
obliku pločastih kondenzatora. Piezoelektrični efekat može se formulisati na dva način
a, od kojih se
jedan naziva direktni, a drugi inverzni efekat. Direktni efekat se formuliše na sledeći način: kada na
piezoelektrični pretvarač deluje sila
F
,
na njegovoj površini se generiše proporcionalna količina
elektriciteta:
F
d
Q
ij
(5.1)
gde je
ij
d
konstanta za dati materijal. Indeks
i
zavisi od smera naprezanja u odnosu na orijentaciju
kristalne rešetke (kod kristala) ili od smera naprezanja u odnosu na pravac polarizacije (kod
kerami
č
kih materijala). Indeks
j
zavisi od ravni u kojoj je stavljena elektroda sa koje se dobija izlazni
signal.
Inverzan piezoelektrični efekt se sastoji u mehaničkoj deformaciji pretvarača kada se on stavi u
električno polje, odnosno naelektriše nekom količinom elektriciteta. Direktni i inverzni piezoelektrični
efekt su u potpunosti recipročni, tj. reč je o jednoj istoj pojavi. Piezoelektrični el
ementi imaju tri
osnovne namene:
a)
Merenje sile, pritiska ili ubrzanja, kada se pod dejstvom
mehaničke veličine generiše odgovarajući
električni signal.
b)
Proizvodnja ultrazvuka, kada se pod dejstvom naizmeničnog ili impulsnog napona u piezoelektričnoj
pločici izazivaju jake vibracije koje u okolnoj sredini generišu ultrazvuk.
Fizičko tehnička merenja
– Laboratorijski vežba –
Piezoelektrični pretvarači i impulsni ultrazvučni defektoskop
strana 2 od 9
c)
Stabilizacija frekven
cije elektronskih oscilatora, konstrukcija električnih filtara, i dr. Ove važne
primene neće biti razmatrane na ovom mestu.
Slika 5.1:
a) Ekvivalentna šema piezoelektričnog pretvarača za merenje mehaničkih velična u oblasti.
niskih učestanosti, b) principijelna skica piezoelektričnog akcelerometra
Piezoelektri
č
ni pretvara
č
i za merenje mehani
č
kih veli
č
ina rade u opsegu frekvencija koje su dosta
niže od njihove rezonantne frekvencije. Ekvivalentna šema pretvara
č
a u oblasti niskih frekvencija
prikazana je na slici 5.1 a. Pretvara
č
se prikazuje strujnim generatororm
dt
dF
d
dt
dQ
i
ij
/
/
,
kondenzatorom
e
C
: koji predstavlja zbir sopstvene kapacitivnosti pretvara
č
a i priklju
č
nih veza, i
otpornikom
e
R
: č
ija otpornost predstavlja paralelnu otpornost pretvara
č
a i priklju
č
nih veza (kabla). Na
slici 5.1 b prikazana je upro
šć
ena šema piezoelektri
č
nog akcelerometra. On se sastoji od ku
ć
išta, u
kome su smeštene dve piezoelektri
č
ne plo
č
ice za koje je
č
vrstom oprugom pri
č
vr
šć
en inercijalni
element mase
m
. Pri dejstvu vertikalnog ubrzanja ( )
a t
, na plo
č
icu deluje inercijalna sila
( )
i
F
ma t
.
Pri tome se dobija strujni signal:
dt
t
da
m
d
dt
dF
d
t
i
ij
i
ij
)
(
)
(
(5.2)
Prelaskom na Laplasovu transformaciju za izlazni napon pretvarača se dobija
:
( )
( ) ( )
( )
1
e
i
ij
e
e
R
U s
I s Z s
d msA s
sR C
(5.3)
Iz
(5.3)
dobija se funkcija prenosa piezoelektričnog akcelerometra
:
( )
( )
(1
)
ij
i
e
d ms
U s
A s
C
s
(5.4)
gde je
e
e
C R
vremenska konstanta. Zamenom
s
sa
j
u izrazu
(5.4), i
određ
ivanjem modula
izraza dobija se amplitudsko-frekventna karakteristika:
max
2
max
(
)
( )
(
)
1 (
)
ij
i
i
e
d m
u
U
j
Q j
a
A j
C
(5.5)
gde je
max
a
i
max
U
amplituda prosto
periodičnih vibracija i izlaznog napona. Pri dovoljno visokim
frekvencijama kada je ispunjen uslov
2
(
)
1
t
karakteristikaa
(5.5) postaje ravna:
( )
ij
e
d m
Q s
C
(5.6)
Opseg radnih frekvencija je počev od
min
10 /
pa do oko
max
/ 5
r
, gde je
r
mehanička
rezonantna frekvencija pretvarača.
5.3.
PIEZOELEKTRIČNI
PRETVARAČI
KAO IZVORI ULTRAZVUKA
Ultrazvuk je
mehaničko
talasno kretanje u
elastičnim
sredinama
čija
je freckvencija iznad opsega
zvučnih
talasa. Po konvenciji se kao donja granica ultrazvuka uzima 20 kHz . Gornja granica nije
definisana, i iznosi reda vel
ičine
stotina MHz . Osnovni uslov da se
pomoću
nekog
mehaničkog
