Конструкции ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей
Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в различных областях, начиная от зажигалок и заканчивая медицинскими исследованиями. Наиболее часто встречающаяся конструкция преобразователя представлена на рисунке 1. Такой тип передатчика обычно применяется для излучения ультразвуковых волн в жидкую или твердую среду, а также для измерения расхода газа. Активным элементом преобразователя является пьезоэлемент (пьезокерамический диск), который как показано на рисунке 1 находится между согласующим слоем и демпфером. Два электрода на верхней и нижней поверхности диска соединены с генератором сигналов. Согласно пьезоэлектрическому эффекту, пьезоэлектрический диск будет колебаться, когда синусоидальное переменное напряжение прикладывается к электродам пьезоэлектрического диска. Колебание диска связано с частотой переменного синусоидального напряжения и размерами диска [1].
Рисунок 1 – Конструкция пьезоэлектрического преобразователя
Обычно пьезоэлектрический материал с высоким коэффициентом электромеханической связи имеет большое волновое сопротивление по сравнению с водой и воздухом. Поэтому, полоса пропускания частотной характеристики диска ниже. Неподходящее волновое сопротивление можно преодолеть, используя передний (согласующий) и задний (демпфер) слои между пьезоэлектрическим диском и жидкой средой, как показано на рисунке 1.
Задний слой обычно имеет высокий коэффициент затухания, высокую плотность материала, которая требуется для того чтобы контролировать колебания преобразователя путем поглощения энергии излучаемой пьезоэлементом назад.
Когда акустическое сопротивление задней части совпадает с волновым сопротивлением активного элемента (пьезокерамики), результатом будет сильно демпфированный преобразователь, который демонстрирует хорошую область разрешения, что связано с широкой полосой частот обеспечиваемой передатчиком, но при этом он может иметь меньшую амплитуду сигнала.
Если акустический импеданс пьезоэлемента и задней части не совпадает, больше звуковой энергии будет отражаться вперед в исследуемое вещество. Конечным результатом является преобразователь, который имеет меньшее разрешение, вследствие более длиной продолжительности осциллограммы, но может иметь более высокую амплитуду сигнала и лучшую чувствительность.
Основная цель согласующего слоя преобразователя заключается в том, чтобы защитить пьезоэлемент от исследуемого вещества. Согласующий слой должен быть прочным и коррозионностойким к исследуемой жидкости. Дополнительно передний слой должен связывать высокое акустическое сопротивление пьезокерамики с низким акустическим сопротивлением жидкости. Толщина согласующего слоя выбирается равной четверти длины волны. Это основано на идеи суперпозиции волн находящихся в одной фазе, что увеличивает амплитуду сигнала в два раза.
Существует много подходов для того чтобы сделать оптимальный выбор толщины и волнового сопротивления заднего и переднего слоя, некоторые из которых отражены в следующих работах [2, 3, 4, 5, 6, 7]. Пьезоэлектрический преобразователь может быть использован как в качестве излучателя, так и в качестве приемника. В режиме передатчика ультразвуковая волна создается пьезокерамикой, к которой прикладывается напряжение. В режиме приемника, пьезокерамика преобразует приходящую акустическую волну в электрический сигнал. В некоторых случаях преобразователь используется одновременно как приемник и как передатчик. Преобразователь может работать в режиме возбуждения пьезокерамики непрерывной синусоидально волной, или в импульсном режиме.
В низкочастотном ультразвуковом диапазоне используют преобразователи следующей конструкции (рисунок 2).
Рисунок 2 – Конструкция ультразвукового преобразователя
Активный элемент ультразвукового преобразователя состоит из двух пьезокерамических пакетов, между которыми находится металлический цилиндр. Все элементы прибора фиксируются и сжимаются под определенным усилием с помощью стального болта, который вызывает начальную поляризацию пьезокерамических пакетов. Амплитуда колебаний такого преобразователя зависит от количества пьезокерамик, от характеристик используемых материалов. Максимальные колебания кончика излучателя такого преобразователя могут достигать десяти микрон на резонансной частоте. Пьезокерамический преобразователь стандартной конструкции (с цилиндрическим излучателем) на самом деле совершает колебания маленькой амплитуды. Общей практикой для усиления механических колебаний является использование конусной формы излучателя и излучателей с экспоненциальной формой. В области высоких ультразвуковых мощностей длину излучателя делают равной половине волны резонансных колебаний [8].
В качестве примера рассмотрим конструкцию ультразвукового бура, разработанного для марсоходов Спирит и Оппортьюнити, предназначенных для программы NASA исследования планет солнечной системы (рисунок 3). Он состоит из трех главных компонентов: ультразвукового вибратора, свободной массы и буровой штанги (рисунок 3).
Рисунок 3 – Ультразвуковой бур
Ультразвуковой вибратор состоит из пакета круглых пьезокерамик, ультразвукового рупора, металлической задней части и болта, создающего первоначальное напряжение, чтобы плотно соединить все эти части и обеспечить предварительное напряжение на пьезокерамический пакет. Пьезокерамический материал должен быть под первоначальной нагрузкой, чтобы не выйти из строя во время деформации. Пьезоэлектрический пакет работает на резонансной частоте ультразвукового вибратора. Через усиливающий ультразвуковой рупор, смещение колебаний достигает 10 микрон на кончике рупора (излучателя). Свободная масса соединена с кончиком ультразвукового рупора бура. В течение операции взятия пробы, свободная масса балансирует и двигается назад и вперед между ультразвуковым рупором и буровой штангой. Благодаря тому, что скорость колебаний свободной массы меньше чем скорость колебаний кончика рупора, свободная масса обычно контактирует с кончиком рупора в подходящей фазе колебаний кончика рупора. В момент, когда свободная масса достигает рупора, она ускоряется и двигается назад к буровой штанге. Свободная масса передает ударные импульсы от ультразвукового преобразователя к буровой штанге с частотой от 10 Гц до 1000 Гц. Ударные волны возникают из-за удара свободной массы по буровой штанге и распространяются к камню/грунту. Под ударом хрупкая среда (камень, лед и т.д.) разрушается, когда его предельная деформация превышается [9].
ФЕРм 10-08-003-04
Устройство ультразвуковое,: преобразователь (излучатель или приемник) — шт
Ресурсы:
| Код | Наименование | К-во | Ед. |
|---|---|---|---|
| Затраты труда рабочих (Средний разряд — 4) | 3.6 | ||
| Канифоль сосновая | 0.0007 | ||
| Дюбели пластмассовые с шурупами, размер 12×70 мм | 0.03 | ||
| Гипс строительный Г-3 | 0.00002 | ||
| Припои оловянно-свинцовые бессурьмянистые, марка ПОС40 | 0.00001 |
Добавьте в избранное
Сравнить расценки
Вы можете сравнивать 2 или 3 расценки из одной базы. Перейдите на страницу нужной расценки и нажмите кнопку «Добавить» — будет сформирована кнопка на страницу с результатом.
Все Расценки Таблицы
Таблица 10-08-003. Приборы и устройства сигнализирующие объектовые
| Номер расценки | Наименование и характеристика работ и конструкций |
|---|---|
| Прибор сигнализирующий емкостной — шт | 7.92 |
| Устройство ультразвуковое,: прибор ультразвуковой в одноблочном исполнении — шт | 3.6 |
| Устройство ультразвуковое,: блок питания и контроля — шт | 3.6 |
| Устройство ультразвуковое,: преобразователь (излучатель или приемник) — шт | 3.6 |
| Устройство оптико-(фото)электрическое,: прибор оптико-электрический в одноблочном исполнении — шт | 5.76 |
| Устройство оптико-(фото)электрическое,: блок питания и контроля — шт | 5.76 |
| Устройство оптико-(фото)электрическое,: комплект преобразователей (излучатель, фотоприемник) — компл | 6.48 |
| Устройство оптико-(фото)электрическое,: отражатель неподвижный — шт | 0.72 |
| Устройство оптико-(фото)электрическое,: отражатель регулируемый — шт | 2.16 |
Сборник сметных цен на Машины и механизмы
| Автомобили бортовые, грузоподъемность до 5 т |
| Краны на автомобильном ходу, грузоподъемность 16 т |
| Краны башенные, грузоподъемность 8 т |
| Подъемники одномачтовые, грузоподъемность до 500 кг, высота подъема 45 м |
| Бульдозеры, мощность 79 кВт (108 л.с.) |
Сборник сметных цен на Материалы
| Доводчик дверной DS 73 BC «Серия Premium», усилие закрывания EN2-5 |
| Вода |
| Светильник потолочный GM: A40-16-31-CM-40-V с декоративной накладкой |
| Раствор готовый отделочный тяжелый, цементно-известковый, состав 1:1:6 |
| Пена для изоляции № 4 (для изоляции 63-110 мм) |
Устройство ультразвуковое: преобразователь (излучатель или приемник)
Расценка не содержит накладных расходов и сметной прибыли, соответственно указаны прямые затраты работы на период 2000 года (цены Московской области), которые рассчитаны опираясь на нормативы 2009 года. Для дальнейших расчётов, данную стоимость необходимо умножать на индекс перехода в текущие цены.
Вы можете перейти на страницу расценки, которая рассчитана на основе нормативов редакции 2014 года с дополнениями 1
| Всего (руб.) | Оплата труда рабочих | Эксплуатация машин | Оплата труда машинистов | Стоимость материалов | Трудозатраты (чел.-ч) |
| 38,55 | 34,63 | 0,25 | 0 | 3,67 | 3,6 |
ВСЕГО ПО РАСЦЕНКЕ: 38,55 Руб.
Посмотрите данный норматив в редакции 2020 года открыть страницу
Посмотрите ресурсную часть расценки в нормативе ГЭСНм 10-08-003-04
При использовании в смете, расценка требует индексации для перевода в текущие цены.
Расценка составлена по нормативам ГЭСН-2001 редакции 2009 года в ценах 2000 года.
Устройство ультразвуковое: преобразователь (излучатель или приемник)
В расценке указаны прямые затраты работы на период 2000 года (Федеральные цены), которые рассчитаны на основе нормативов 2014 года с дополнениями 1. К данной стоимости нужно применять индекс перехода в текущие цены.
Вы можете перейти на страницу этого же норматива ГЭСН в редакции 2009 года
Основанием применения состава и расхода материалов, машин и трудозатрат являются ГЭСН-2001
ТРУДОЗАТРАТЫ
| № | Наименование | Ед. Изм. | Трудозатраты |
| 1 | Затраты труда рабочих-монтажников Разряд 4 | чел.-ч | 3,6 |
| Итого по трудозатратам рабочих | чел.-ч | 3,6 | |
| Оплата труда рабочих = 3,6 x 9,62 | Руб. | 34,63 | |
График производства работ. Автоматическое построение по смете.
ЭКСПЛУАТАЦИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
Нажав на ссылке в шифре или наименовании ресурса,
Вы перейдёте на страницу с указанием оплаты труда машиниста
и списком шифров расценок, в которых используется данный ресурс.
| № | Шифр | Наименование | Ед. Изм. | Расход | Ст-сть ед. Руб. |
Всего Руб. |
| 1 | 330206 | Дрели электрические | маш.-ч | 0,13 | 1,95 | 0,25 |
| Итого | Руб. | 0,25 | ||||
РАСХОД МАТЕРИАЛОВ
Нажав на ссылке в шифре или наименовании ресурса,
Вы перейдёте на страницу с указанием веса единицы измерения материала
и списком шифров расценок, в которых используется данный материал.
| № | Шифр | Наименование | Ед. Изм. | Расход | Ст-сть ед. Руб. |
Всего Руб. |
| 1 | 101-1963 | Канифоль сосновая кг | кг | 0,0007 | 27,74 | 0,02 |
| 2 | 101-2206 | Дюбели пластмассовые с шурупами 12х70 мм | 10 шт. | 0,03 | 83 | 2,49 |
| 3 | 405-0219 | Гипсовые вяжущие, марка Г3 | т | 0,00002 | 729,98 | 0,01 |
| 4 | 506-1361 | Припои оловянно-свинцовые бессурьмянистые марки ПОС40 | кг | 0,007 | 65,75 | 0,46 |
| 5 | 999-9950 | Вспомогательные ненормируемые материальные ресурсы (2% от оплаты труда рабочих) | руб. | 0,69 | 0 | 0,00 |
| Итого | Руб. | 2,98 | ||||
ИТОГО ПО РЕСУРСАМ: 3,24 Руб.
ВСЕГО ПО РАСЦЕНКЕ: 37,87 Руб.
Посмотрите данный норматив в редакции 2020 года открыть страницу
Сравните значение расценки со значением ФЕРм 10-08-003-04
Для составления сметы, расценка требует индексации перехода в текущие цены.
Расценка составлена по нормативам ГЭСН-2001 редакции 2014 года с дополнениями 1 в ценах 2000 года.
Для определения промежуточных и итоговых значений расценки использовалась программа DefSmeta