一种压电陶瓷圆管换能器的一致性控制方法

1.本发明涉及超声波传感器领域，具体涉及一种压电陶瓷圆管换能器的一致性控制方法。


背景技术：

2.压电陶瓷圆管换能器已被广泛应用于声波测井、基桩完整性检测等领域，作为超声系统的关键器件，压电陶瓷圆管换能器决定了超声系统性能的好坏。若换能器一致性较差，不利于换能器的配对使用，测量波形的幅度较小，进而严重影响测量精度。而机电耦合系数是评价换能器机械能和电能互换能力的的关键，保证机电耦合系数的一致性，对保证换能器性能的一致性至关重要。
3.目前，保障压电陶瓷换能器一致性的方法主要是一致性筛选，一方面是利用相关系数法、最大值法等对压电晶体的谐振频率进行筛选，获得幅相一致的用电晶体；另一方面是利用导纳圆等参数对压电陶瓷换能器进行一致性筛选，导纳圆可以通过阻抗分析仪或导纳仪获得。一致性筛选不可避免地存在人力物力和财力的浪费。因此，通过换能器制备工艺中的过程控制，从源头上提高换能器的一致性，就具有更高的经济价值和工程意义。


技术实现要素：

4.针对已有的压电陶瓷一致性调控技术的不足，本发明提供一种压电陶瓷圆管换能器一致性的控制方法，根据换能器工作电压和压电陶瓷抗张极限，确定扭矩最大值，通过谐振频率计算机电耦合系数，通过力矩调整机电耦合系数，进而对换能器一致性进行判断、比较和调整，具备成本低、方法简单、调控准确、适用范围大等优势。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种压电陶瓷圆管换能器的一致性控制方法，包括以下步骤：
7.(1)计算压电陶瓷圆管换能器的径向工作应力pv；
8.(2)计算定径向应力安全极限p
t
；
9.(3)计算定量施加轴向应力的螺栓拧紧力矩极限t
max
；
10.(4)准备换能器原材料，压电陶瓷圆管表面完整，电极无缺损，垫片和金属螺栓的尺寸误差小于0.01mm；
11.(5)用台钳固定组装好的换能器，并用扭力扳手施加初始扭矩ti；
12.(6)用阻抗分析仪分别测量n组换能器在扭矩ti作用下的并联谐振频率f
pi
、串联谐振频率f
si
和静态电容c
0i
；
13.(7)计算n组换能器测试参数的平均值，得到平均并联谐振频率f
p
、平均串联谐振频率fs和平均静态电容c，平均机电耦合系数k
31n
，满足
14.(8)取机电耦合系数一致性区间为(mk
31n
，nk
31n
)，其中m和n为经验常数，满足m＜l，n≥l；
15.(9)取待测换能器，若待测换能器静态电容与平均值偏差满足lc
i-cl/c＞a，可能存在陶瓷损伤、虚焊、短路、断路、导线表皮损伤等，需进行换能器检修，重复步骤(4)-(8)；若满足lc
i-cl/c≤a，继续下一步；
16.(10)计算待测换能器的机电耦合系数k
31i
，满足
17.(11)比较k
31i
是否在(mk
31n
，nk
31n
)区间内：若k
31i
介于(mk
31n
，nk
31n
)区间，直接进行换能器灌封；否则，继续下一步；
18.(12)若k
31i
＞nk
31n
，扭矩ti需降低为ti
+1
，若k
31i
＜mk
31n
，扭矩ti需要增大为ti
+1
；
19.(13)比较ti
+1
是否在(0，t
max
)区间内：若ti
+1
介于有效扭矩区间(0，t
max
)，则在换能器上重新施加扭矩t
i+1
，重复步骤(10)-(11)；否则，继续下一步；
20.(14)更换压电陶瓷圆管，重新组装换能器，重复步骤(5)-(11)。
21.优选地，所述步骤(1)中径向工作应力pv的确定方法为：
22.①
通过压电陶瓷材料确定压电常数d
31
、杨氏模量泊松比σ；
23.②
测量压电陶瓷圆管的厚度t；
24.③
确定换能器的工作电压v；
25.④
计算圆管换能器径向工作应力pv：
26.优选地，所述步骤(2)中径向应力安全极限的确定方法为：
27.①
通过使用类型压电陶瓷材料，确定抗张极限pc；
28.②
计算圆管换能器径向工作应力限安全极限p
t
，满足：p
t
＝p
c-pv。
29.优选地，所述步骤(3)中螺栓拧紧力矩极限t
max
的确定方法为：
30.t
max
＝α+βp
t
+γp
t2
，其中α、β和γ为与压电陶瓷材料和换能器结构相关的经验常数，取值分别为α＝0.4
±
0.1，β＝0.04
±
0.01，γ＝0.0017
±
0.0001。
31.优选地，所述步骤(5)中扭力扳手施加初始扭矩ti的确定方法为ti＝κt
max
，κ典型取值范围为0.4～0.8。
32.优选地，所述步骤(8)中静态电容与平均值偏差值由换能器设计需求允许频率误差许可范围决定，可取a≤10％。
33.有益效果：
34.本发明公开了一种压电陶瓷圆管换能器一致性的控制方法，具有以下优点：
35.(1)对设备要求低，扭矩调节和参数测试方式简单；
36.(2)对压电陶瓷圆管使用效率最大化，降低原料成本；
37.(3)可根据实时谐振频率计算机电耦合系数，准确性高；
38.(4)适用范围大，适用于不同尺寸和材料的压电陶瓷圆管换能器。
附图说明
39.图1为本发明所述的压电陶瓷圆管换能器结构示意图；
40.图2为本发明所述的在换能器上施加力矩及测试阻抗曲线的现场布置示意图；
41.图3为利用本发明实施案例1中6个抽样样本在初始扭矩下的阻抗曲线及参数变
化；
42.图4为利用本发明实施案例1中2#换能器根据调控扭矩前后的阻抗曲线及参数变化；
43.图5为利用本发明实施案例1中利用无机非金属检测仪测量首波电压的现场布置图；
44.图6为利用本发明实施案例1中利用无机非金属检测仪测量的首波电压曲线及首波参数变化；
45.图7为本发明流程图。
46.其中1-压电陶瓷圆管、2-定位垫片、3-左端帽、4-右端帽、5-螺杆、6-固定平台、7-导线、8-扭力扳手、9-台钳、10-阻抗分析仪、11-无机非金属检测仪、12-50m线缆、13-标准换能器、14-自制换能器、15-水、16-声测管、17-混凝土。
具体实施方式
47.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
48.实施例1
49.参照附图，本技术的使用的螺栓结构包括压电陶瓷圆管l、套在压电陶瓷圆管1两端的左端帽3和右端帽4、压电陶瓷圆管1与端帽之间的定位垫片2，压电陶瓷圆管1穿过螺杆5，当采用多个压电陶瓷圆管时，始终满足相邻压电陶瓷圆管之间有定位垫片进行电气隔离。
50.左端帽3、右端帽4和螺杆5为不锈钢材料，左端帽3和右端帽4外侧预留固定平台6，便于台钳和扳手的固定。定位垫片2为尼龙材料，在沿半径的方向固定压电陶瓷圆管。定位垫片结构简单，便于加工，可以有效实现不同尺寸压电圆管的固定夹持。
51.一种压电陶瓷圆管换能器一致性的控制方法，包括以下步骤：
52.(1)计算压电陶瓷圆管换能器的径向工作应力pv：
53.①
选用淄博宇海电子陶瓷有限公司生产的pzt-52压电陶瓷，通过厂家提供的资料查询压电陶瓷材料的压电常数d
31
为204*10-12
m/v，杨氏模量为17*10-12
m2/n，泊松比σ为0.36；
54.②
测量压电陶瓷圆管的厚度t为1.5mm；
55.③
换能器应用的最大工作电压v为1000v；
56.④
根据计算圆管换能器径向工作应力pv为22.2mpa。
57.(2)计算定径向应力安全极限p
t
：通过陶瓷生产厂家提供的资料或pzt-52压电陶瓷材料的抗张极限pc为60mpa，因此根据p
t
＝p
c-pv计算圆管换能器径向工作应力限安全极限为37.78mpa；
58.(3)根据t
max
＝0.4+0.04p
t
+0.0017p
t2
，计算定量施加轴向应力的螺栓拧紧力矩极限t
max
为4.3n
·
m；
59.(4)准备换能器原材料，压电陶瓷圆管尺寸为表面清洁，电极无缺损；压电陶瓷圆管、垫片和金属螺栓的尺寸误差小于0.01mm；
60.(5)用台钳固定组装好的换能器，并根据ti＝0.6t
max
用扭力扳手施加初始扭矩ti＝2.6n
·
m；
61.(6)用阻抗分析仪(key sight，4900a)，分别测量6组换能器在扭矩ti作用下的并联谐振频率f
pi
、串联谐振频率f
si
和静态电容c
0i
，如附图3所示；
62.(7)计算6组换能器测试参数的平均值，得到平均并联谐振频率f
p
为46.20khz、平均串联谐振频率fs为48.69khz和平均静态电容c为22.29nf，根据计算6组换能器的平均机电耦合系数k
31n
为0.32；
63.(8)取经验系数m为0.9，n为1.1，则机电耦合系数一致性区间为(0.288，0.352)；
64.(9)取待测换能器，静态电容ci与平均值进行比较，所有换能器偏差满足|c
i-c|/c＜2％，均无虚焊或陶瓷损伤；
65.(10)根据计算待测换能器的机电耦合系数k
31i
，如附图3所示；
66.(11)取待测换能器进行k
31i
比较，1#、3#-6#样品的k
31i
均位于置信区间内，可以直接进行换能器灌封，现2#样品的k
31i
＜0.288，需进行下一步；扭矩需要增大为t
i+1
；
67.(12)取t
i+1
为3n
·
m，t
i+1
介于有效扭矩区间(0，4.3)内，则在2号换能器上重新施加3n
·
m扭矩，重复步骤9，静态电容为22.5nf，在偏差允许范围内，计算机电耦合系数为0.34，位于机电耦合系数一致性区间(0.288，0.352)内，可以进行换能器灌封；
68.(13)待测换能器在混凝土模型中进行声波跨孔测试。检测设备采用无机非金属检测仪(武汉中岩，rsm-sy6)，设备配套的换能器作为标准发射声源。声测管平均直径为38mm，使用前注满清水。待测换能器和标准声源通过50m线缆连接到检测设备上，然后分别悬垂于声测管中，换能器水平间距为135mm。6个自制换能器测得的首波电压平均值为65.51mv，偏差满足|v
i-v|/v＜3.4％，一致性较好。
69.本发明未尽事宜为公知技术。
70.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。