Fizičko-tehnička merenja – Piezoelektrični pretvarači i impulsni ultrazvučni defektoskop

PIEZOELEKTRIČNI PRETVARAČI I IMPULSNI ULTRAZVUČNI 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 aelektrisanje.
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 mehaničkih 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 proizvodnje 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.

 
ZADATAK VEŽBE

1. Odrediti rezonantnu i antirezonantnu frekvenciju piezolektričnih pretvarača na maketi.
2. Na osnovu podataka dobijenih u tački a) odrediti moduo elastičnosti EY za cilindrični keramički piezoelektrični pretvarač.
3. Izvrsiti kalibraciju vremenske baze defektoskopa pomoću datih menzura sa vodom.
4. Izmeriti brzinu zvuka u šipkama od gvozđa, aluminijuma, bakra, mesinga i u visokonaponskom keramičkom izolatoru. Rezultate uporediti sa tabličnim podacima i izračunati relativna odstupanja merenja.
5. Posmatrati slike defekata (izbušenih rupa) u metalnim šipkama i visokonaponskoj keramici stavljajući ultrazvučnu glavu sa obe strane uzoraka. Uočiti uticaj udaljenosti defekta na mogućnost njegovog otkrivanja.

 
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 načina, 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:

Q = dij F

gde je dij 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 keramičkih 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 elementi imaju tri osnovne namene:

1. Merenje sile, pritiska ili ubrzanja, kada se pod dejstvom mehaničke veličine generiše odgovarajući električni signal.
2. Proizvodnja ultrazvuka, kada se pod dejstvom naizmeničnog ili impulsnog napona u piezoelektričnoj pločici izazivaju jake vibracije koje u okolnoj sredini generišu ultrazvuk.
3. Stabilizacija frekvencije elektronskih oscilatora, konstrukcija električnih filtara, i dr. Ove važne primene neće biti razmatrane na ovom mestu.

Piezoelektrični pretvarači za merenje mehaničkih veličina rade u opsegu frekvencija koje su dosta niže od njihove rezonantne frekvencije. Ekvivalentna šema pretvarača u oblasti niskih frekvencija prikazana je na slici 5.1 a. Pretvarač se prikazuje strujnim generatororm i kondenzatorom Ce koji predstavlja zbir sopstvene kapacitivnosti pretvarača i priključnih veza, i
otpornikom Re  čija otpornost predstavlja paralelnu otpornost pretvarača i priključnih veza (kabla). Na slici 5.1 b prikazana je uprošćena šema piezoelektričnog akcelerometra. On se sastoji od kućišta, u kome su smeštene dve piezoelektrične pločice za koje je čvrstom oprugom pričvršćen inercijalni element mase m . Pri dejstvu vertikalnog ubrzanja a t( ) , na pločicu deluje inercijalna sila F m.  Pri tome se dobija strujni signal…