Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

توصيف يشبع مجموعة المواد الثوابت ومنها الاعتماد درجة الحرارة لمواد الكهروإجهادية عن طريق الرنين الموجات فوق الصوتية الطيفي

Published: April 27, 2016 doi: 10.3791/53461
Automatic Translation
1, 2
1Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Xiamen University, 2Department of Mathematics and Material Research Institute, The Pennsylvania State University

Abstract

أثناء تشغيل الأجهزة الكهربائية عالية الطاقة، وارتفاع درجة الحرارة أمر لا مفر منه بسبب الخسائر الميكانيكية والكهربائية، مما تسبب في تدهور أداء الجهاز. من أجل تقييم هذه انحطاط باستخدام المحاكاة الحاسوبية، وهناك حاجة إلى كامل خصائص المواد المصفوفة في درجات حرارة مرتفعة كمدخلات. ومن الصعب للغاية لقياس هذه البيانات للمواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف بسبب القوي طبيعة متباين الخواص والممتلكات الاختلاف بين عينات من هندستها مختلفة. لأن درجة الاستقطاب هي حالة الحدودية التابعة، البيانات التي تم الحصول عليها من قبل IEEE (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات) تقنية مقاومة الرنين، الأمر الذي يتطلب عدة عينات مع هندستها مختلفة اختلافا جذريا، وعادة ما تفتقر إلى الاتساق الذاتي. الطيفي الموجات فوق الصوتية الرنانة (RUS) تسمح تقنية كاملة الثوابت مجموعة المواد التي سيتم قياسها باستخدام عينة واحدة فقط، والتي يمكن التخلص من الأخطاء الناجمة عن عينة لعينة variatأيون. ويتجلى إجراء RUS مفصل هنا باستخدام تيتانات zirconate الرصاص (PZT-4) عينة piezoceramic. في المثال، تم قياس مجموعة كاملة من الثوابت المادية من درجة حرارة الغرفة إلى 120 درجة مئوية. قياس الثوابت عازلة خالية المعادلة 1 و المعادلة 2 كانت مقارنة مع تلك المحسوبة على أساس البيانات مجموعة كاملة قياس، والثوابت كهرضغطية د 15 و د 33 وحسبت أيضا باستخدام صيغ مختلفة. تم التوصل إلى اتفاق ممتاز في مجموعة كاملة من درجات الحرارة، التي أكدت الاتساق الذاتي من مجموعة البيانات التي حصلت عليها RUS.

Introduction

الرصاص تيتانات zirconate (PZT) السيراميك كهرضغطية، (1-س) PbZrO 3 -xPbTiO 3، وتم مشتقاته تستخدم على نطاق واسع في محولات بالموجات فوق الصوتية، وأجهزة الاستشعار والمحركات منذ 1950s 1. وتستخدم العديد من هذه الأجهزة الكهروميكانيكية في نطاقات ارتفاع في درجة الحرارة، مثل مركبات الفضاء وتحت الأرض قطع الأشجار بشكل جيد. وعلاوة على ذلك، وأجهزة عالية الطاقة، مثل محولات الطاقة العلاجية بالموجات فوق الصوتية، محولات كهرضغطية وأجهزة العرض السونار، في كثير من الأحيان حرارة تصل خلال العملية. وهذه الارتفاعات في درجة الحرارة تغيير ترددات الرنين والنقطة المحورية لمحولات الطاقة، مما تسبب في تدهور الأداء شديد. ركزت كثافة عالية الموجات فوق الصوتية (HIFU) والتكنولوجيا، وتستخدم بالفعل في الممارسة السريرية لعلاج الأورام، ويستخدم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية المصنوعة من السيراميك PZT. وخلال العملية، ودرجة حرارة هذه محولات زيادة، مما تسبب في تغيير الثوابت المادية للمرنان PZT، والذي بدوره سيغير مرحباالنقطة المحورية FU فضلا عن 2،3 انتاج الطاقة. التحول من نقطة محورية قد يؤدي إلى نتائج غير مرغوب فيها خطيرة، أي الأنسجة السليمة التي دمرت بدلا من الأنسجة السرطانية. من ناحية أخرى، إذا كان من الممكن توقع تحول نقطة الاتصال، يمكن للمرء أن استخدام تصاميم الإلكترونية لتصحيح هذا التحول. لذلك، وقياس درجة حرارة الاعتماد على خصائص المواد مجموعة كاملة من المواد كهرضغطية مهم جدا لتصميم وتقييم العديد من الأجهزة الكهربائية، وخاصة الأجهزة عالية الطاقة.

المواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف Poled هي أفضل المواد كهرضغطية يعرف اليوم. في الواقع، تقريبا كل المواد كهرضغطية المستخدمة حاليا هي مواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، بما في ذلك السيراميك PZT حل متين و(1-س) الرصاص (المغنيسيوم 1/3 ملحوظة 2/3) O 3 -xPbTiO 3 (PMN-PT) بلورات واحدة. وIEEE (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات) طريقة مقاومة صدى يتطلب 5-7 عينات مع drastiساتيا هندستها مختلفة من أجل توصيف المواد مجموعة كاملة الثوابت 4. يكاد يكون من المستحيل الحصول على بيانات كاملة مجموعة مصفوفة متسقة ذاتيا باستخدام IEEE طريقة مقاومة صدى للمواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف لأن درجة poling تعتمد على عينة الهندسة (شروط الحدود)، في حين تعتمد خصائص العينة على مستوى poling. لتجنب المشاكل الناجمة عن عينة لعينة الاختلافات، وينبغي قياس كل الثوابت من عينة واحدة. لي وآخرون. وذكرت قياس النجاح في كل الثوابت من عينة واحدة في درجة حرارة الغرفة باستخدام مزيج من نبض صدى الموجات فوق الصوتية ومقاومة عكسية الطيفي 5. للأسف، هذه التقنية من الصعب أن ينجز في درجات حرارة مرتفعة لأنه من غير الممكن إجراء قياسات بالموجات فوق الصوتية مباشرة داخل الفرن. هناك أيضا أي محولات القص المتاحة تجاريا التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الشحوم اقتران ذلك ملزمة العابرةducer والعينة لا يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية.

من حيث المبدأ، وتقنية RUS لديها القدرة على تحديد مجموعة كاملة الثوابت مادة من المواد كهرضغطية والاعتماد بدرجة الحرارة فقط باستخدام عينة واحدة 6،7. ولكن هناك العديد من الخطوات الهامة للتنفيذ السليم للتقنية RUS. أولا، مجموعة كاملة من الخصائص الموترة في درجة حرارة الغرفة يجب تحديدها بدقة باستخدام مزيج من نبض الصدى وتقنيات RUS. ثانيا، هذه درجة حرارة الغرفة مجموعة بيانات يمكن استخدامها للتنبؤ ترددات الرنين ولتتناسب مع تلك المقاسة من أجل تحديد وسائل المقابلة. ثالثا، لكل زيادة صغيرة في درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة حتى، يحتاج المرء لأداء إعادة الإعمار الطيف مقابل طيف الرنين قياس من أجل استرداد مجموعة الثوابت كاملة عند هذه الدرجة الجديدة من الطيف الرنين قياسه. ثم، وذلك باستخدام مجموعة البيانات الجديدة كنقطة انطلاق جديدة، نستطيع زيادة درجة الحرارة بمقدار خطوة صغيرة في درجة الحرارة أخرى للحصول على مجموعة ثوابت كامل في درجة الحرارة القادمة. واستمرار هذه العملية تسمح لنا للحصول على الاعتماد درجة حرارة الكاملة الثوابت مجموعة المواد.

هنا، يتم استخدام PZT-4 عينة piezoceramic لتوضيح إجراءات قياس تقنية RUS. وpoled PZT-4 السيراميك ديه التماثل ∞m مع 10 الثوابت المستقلة المواد: 5 الثوابت المرنة، 3 الثوابت كهرضغطية و2 الثوابت عازلة. لأن الثوابت عازلة لا تعير اهتماما لتغيير ترددات الرنين، وقياسها بشكل منفصل باستخدام نفس العينة. الاعتماد درجة حرارة الثوابت عازلة فرضت المعادلة 3 و المعادلة 4 تم قياس مباشرة من قياسات السعة، في حين أن الثوابت عازلة خاليةOAD / 53461 / image005.jpg "/> و المعادلة 2 يقاس في نفس الوقت كانت تستخدم ليتحقق اتساق البيانات. الاعتماد درجة حرارة الثوابت صلابة مرنة في الحقل الكهربائي المستمر المعادلة 6 ، المعادلة 7 ، المعادلة 8 ، المعادلة 9 و معادلة 10 ، والثوابت الضغط كهرضغطية E 15، ه 31 ه 33 تم تحديدها بواسطة تقنية RUS باستخدام نفس العينة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

التحضير 1. عينة

ملاحظة: PZT-4 عينات السيراميك من الحجم المطلوب يمكن طلب مباشرة من العديد من مصنعي السيراميك PZT. يمكن للمرء أيضا قطع عينة من أكبر كتلة السيراميك PZT باستخدام آلة قطع الماس، ثم repole العينة لاستعادة depoling الناجمة عن قطع وصقل. هنا، في شكل عينة هو متوازي مع كل البعد بين 3 ملم و 10 ملم. عينات أكبر حجما ليست ضرورية ولكن دقة قد يكون خطر إذا عينات صغيرة جدا.

  1. تلميع الأسطح من عينة مستطيلة منشور ذو قاعدة على شكل متوازي الأضلاع على قرص زجاجي عن طريق آل 2 يا 3 المساحيق.
    1. أولا، الغراء العينة إلى السطح السفلي من قضيب معدني باستخدام طبقة رقيقة جدا من الشمع عن طريق تسخين قضيب والعينة إلى 60 درجة مئوية. ثم يبرد إلى درجة حرارة الغرفة. تناسب محكم قضيب في اسطوانة معدنية مع القطر الخارجي أكبر، بحيث السطح السفلي للاسطوانة وعينة يمكن أن يكون أكسي مصقولالأثير لضمان ثبات سطح العينة مصقول.
    2. الرطب لوحة الزجاج باستخدام زجاجة الماء ثم يرش 6 ميكرون آل 2 يا 3 مساحيق على سطح مبلل. وضع صاحب العينة مع عينة لصقها على وضعها على لوحة وجعل حركة دائرية لطحن شقة سطح العينة. غسل لوحة زجاجي وصاحب العينة بدقة.
    3. رش 3 ميكرون آل 2 يا 3 مساحيق على لوحة زجاج الرطب وتكرار طحن مرة أخرى بحيث سطح العينة ستكون أكثر سلاسة. يغسل كل شيء نظيف.
    4. رفع العينة من على حامل عن طريق تسخين التجمع إلى 60 درجة مئوية لإذابة الشمع. تنظيف الشمع المتبقي على سطح العينة باستخدام الأسيتون.
    5. تلميع جميع الأسطح 6 من العينة باستخدام نفس الإجراء.
  2. قياس أبعاد العينة باستخدام ميكرومتر وتسجيل النتائج. هنا، نموذج PZT-4 هو مبين في الشكل رقم 1 لديها الأبعاد التالية: ل س = 4.461 مم، ل ذ = 6.073 ملم، ول ض = 4.914 ملم.
  3. قياس كتلة العينة باستخدام ميزان تحليلي الرقمي.
  4. تقسيم كتلة من حجم للحصول على ρ كثافة الشامل.

2. نبض صدى قياس الموجات فوق الصوتية

ملاحظة: في هذه الورقة، معادلة 15 و معادلة 16 تمثل ط ي صف وعنصر عمود التنسورات صلابة مرنة في الحقل الكهربائي المستمر والتشريد الكهربائي المستمر، على التوالي عشر والعشرين. معادلة 17 و معادلة 18 تمثل ط التوالي ي عشر عنصرا من العمود التنسورات الامتثال مرنة في كهربائي مستمر عشرالميدان والتشريد الكهربائي المستمر، على التوالي؛ يمثل د ط ط ي صف وعنصر عمود موتر سلالة كهرضغطية عشر والعشرين. يمثل ه ط ط ي صف وعنصر عمود موتر الإجهاد كهرضغطية عشر والعشرين. معادلة 21 و معادلة 22 تمثل ط التوالي ي عشر عنصرا عمود من الثوابت عازلة فرضت وخالية عشر على التوالي. كل الثوابت المواد المصفوفة هي في فويت التدوين.

  1. بدوره على جهاز النبض المتلقي. ضبط الوضع إلى P / E لقياس نبض الصدى.
  2. قم بتوصيل محول الطولي موجة (15 ميغاهيرتز) والذبذبات الرقمية إلى جهاز النبض المتلقي.
  3. وضع محول على سطح العينة على طول X-الاتجاه مع بعض الشحوم اقتران في ما بينهما. لاحظ أن الاستقطاب وخيمةويعرف ction باعتبارها محور ض.
  4. اضغط على مفتاح المؤشر على لوحة التحكم من الذبذبات الرقمية. اضغط على جنبا إلى القائمة زر V البارات، ثم تناوب على مقبض الباب الغرض العام للتحرك خط المؤشر إلى أعلى قمة للإشارة صدى الأولى.
  5. اضغط على مفتاح SELECT، ثم تناوب على مقبض الباب للأغراض العامة لتحريك خط المؤشر الآخر في ذروة المقابلة في إشارة صدى الثانية.
  6. قراءة القيمة العددية في مكان ملحوظ مع Δ: على الشاشة، وهو الوقت جولة الرحلة، معادلة 23 من نبض موجة طولية على طول محور س.
  7. حساب سرعة موجة طولية على طول الأشعة الاتجاه، معادلة 24 ، عن طريق تقسيم مرتين سمك العينة (الجولة مسافة الرحلة) من خلال معادلة 27 ، ومن ثم تحديد ثابت مرونة حيث ρ هي كثافة العينة.
  8. كرر 2،3-2،5 باستخدام محول موجة القص (5 ميغاهيرتز) وتحديد سرعة موجة القص باستخدام الصيغة معادلة 33 ، أين معادلة 34 هي المرة الرحلة لموجة القص ذهابا وإيابا على طول الأشعة الاتجاه. تحديد ثابت مرونة القص معادلة 35 باستخدام الصيغة معادلة 36 .
  9. حساب ثابت مرونة معادلة 37 باستخدام المعادلة التالية: معادلة 38 . هذه هي صيغة لعينة PZT مع ∞ م التماثل. </ لى>
  10. وضع محول القص (5 ميغاهيرتز) على ض سطح العينة. تسجيل الوقت ذهابا وإيابا الرحلة، معادلة 39 للموجة القص على طول ض الاتجاه باستخدام الذبذبات الرقمية. حساب سرعة الصوت معادلة 40 باستخدام المعادلة التالية: معادلة 41 ، وتحديد ثابت مرونة معادلة 42 باستخدام المعادلة التالية: معادلة 43 .

3. قياس الاعتماد درجة حرارة عازل الثوابت

  1. تطبيق طبقة رقيقة من طلاء الفضة موصل على اثنين من أسطح العينة في x-الاتجاه باستخدام فرشاة. الطلاء يمكن أن تمحى بسهولة بحيث يمكن استخدام نفس العينة لقياس RUS في وقت لاحق في فتح حالة الدائرة.
  2. Connect محلل مقاومة لمراقبة الكمبيوتر وتشغيل كليهما.
  3. تحديد بداية ووقف ترددات محلل مقاومة إلى 10 ميغاهرتز و 40 ميغاهرتز، على التوالي، للمسح التردد. لأن ثابت العزل الكهربائي هو >> 1 لهذه العينة PZT، وحساب ثابت لها عازلة معادلة 44 باستخدام لوحة تقريب الموازي معادلة 45 حيث السعة معادلة 46 ويقاس على 35 ميغاهرتز، وهو المجال الكهربائي و t هو سمك العينة.
  4. قم بتوصيل محول 16048A إلى ميناء زوج أربعة محطة للمحلل مقاومة.
  5. اضغط على مفتاح CAL للمحلل مقاومة لعرض قائمة المعايرة.
  6. اضغط على مفتاح محول لعرض محول تعيين في قائمة بدء التشغيل، وحدد 4TP 1M.
  7. ربط مصطلح Lcur وLpotinals على 16048A إلى محطات Hpot وHcur من 04294-61001. لا تزال المحطات الأخرى في حالة فتح الدائرة.
  8. اضغط على مفتاح SET OFUP لعرض قائمة الإعداد محول.
  9. اضغط على المرحلة COMP [-] مفتاح لبدء مرحلة قياس البيانات التعويض. عندما يتم الانتهاء من قياس البيانات تعويضات المرحلة، لينة التغييرات التسمية الرئيسية للمرحلة COMP [حرر].
  10. ربط محطات Lcur، Lpot، Hpot وHcur على 16048A إلى محطات Lcur، Lpot، Hpot وHcur على 04294-61001.
  11. اضغط على LOAD [-] مفتاح لبدء القياس. عندما يتم الانتهاء من قياس تحميل البيانات، لينة التغييرات التسمية الرئيسية لتحميل [حرر].
  12. ربط لاعبا اساسيا للمحلل مقاومة، وابقائه في حالة الدائرة المفتوحة.
  13. اضغط على مفتاح CAL، ثم اضغط على مفتاح لينة يعوض عنه FIXTURE لعرض قائمة تركيبات التعويض.
  14. اضغط على فتح - مفتاح لبدء قياس بيانات الدائرة المفتوحة []. عندما يتم الانتهاء من قياس البيانات الحمل، وقوات العمليات الخاصةر التغييرات تسمية المفتاح لفتح [على].
  15. القصير المباراة عن طريق وضع الأسلاك النحاسية بين الموجب والسلبية.
  16. اضغط على قصيرة - مفتاح لبدء قياس البيانات ماس ​​كهربائى []. عندما يتم الانتهاء من قياس تحميل البيانات، لينة التغييرات التسمية الرئيسية للقصير [على].
  17. إصلاح المقاوم 100 Ω لاعبا اساسيا. اضغط على مفاتيح لينة تحميل تقاوم ثم تحديد قيمتها، أدخل 100 ثم اضغط على X1 الرئيسيين.
  18. اضغط على مفتاح التحميل. عندما يتم الانتهاء من قياس تحميل البيانات، لينة التغييرات التسمية الرئيسية لتحميل [على]. الآن اكتمال المعايرة.
  19. وضع العينة في المباراة ثم وضع التجميع كله إلى درجة حرارة الغرفة وأغلق الباب.
  20. اضغط على MEAS الرئيسية على لوحة مقاومة محلل، واختر معادلة 47 .
  21. ضبط درجة حرارة الغرفة إلى 20 درجة مئوية باستخدام الكمبيوتر السيطرة.
  22. فتح برنامج جداول البيانات المثبتة في جهاز الكمبيوتر متصلامقاومة محلل لقراءة وتسجيل البيانات من محلل مقاومة.
  23. قراءة البيانات السعة باستخدام البرمجيات في الكمبيوتر وحفظ النتائج المقاسة إلى ملف.
  24. تغيير درجة حرارة الغرفة مع خطوة درجة الحرارة 5 درجات مئوية عن طريق الضغط على مفتاح UP على لوحة التحكم من الغرفة. كرر الخطوة 3.23 في كل زيادة درجة الحرارة بعد درجة حرارة الغرفة تصبح مستقرة.
  25. تحديد الاعتماد درجة حرارة ثابت العزل الكهربائي فرضت المعادلة 3 استنادا إلى الصيغة السعة موازية باستخدام قيمة السعة في 35 ميغاهرتز، التي تصبح السعة تقريبا تردد مستقل.
  26. إعادة تشغيل وإيقاف الترددات إلى 1 كيلو هرتز و 10 كيلوهرتز، على التوالي.
  27. كرر الخطوات 3،21-3،24 لقياس الاعتماد درجة حرارة منخفضة السعة تردد من العينة. حفظ النتيجة قياسها.
  28. تحديد الاعتماد درجة حرارة DIEL مجاناثابت ectric معادلة 48 باستخدام منخفضة السعة تردد في 1 كيلو هرتز.
  29. إزالة الطلاء الفضة موصل على سطح العينة باستخدام الأسيتون.
  30. تطبيق الطلاء الفضة موصل إلى السطوح عينة اثنين على طول poling ض الاتجاه.
  31. كرر الخطوات من 3،3-3،28. تحديد الاعتماد درجة حرارة الثوابت عازلة فرضت والحرة، معادلة 49 و معادلة 50 .

قياس 4. ترددات الرنين في درجة حرارة الغرفة ووضع تعريف

  1. قياس ترددات الرنين.
    1. وضع العينة في بين الإرسال والاستقبال محولات للنظام RUS مع جهات الاتصال فقط على عكس زوايا من العينة (الشكل 2). لاحظ أن الاتصالات هي لينة الربيع تحميل والضغوط التي مورست هو من ligh جدار، ما يكفي لعقد العينة في المكان. وبالتالي، هي سبب عدم وجود أضرار من قبل الاتصالات.
    2. تشغيل نظام ديناميكي الرنين (الشكل 2) والكمبيوتر المتصلة به.
    3. تشغيل واجهة التحكم في النظام بالرنين الحيوي. تحديد بداية التردد f 1، وتردد المحطة و 2، وعدد من نقاط البيانات N التي يتعين جمعها. اختيار N بحيث (و 1 - و 2) / N أقل من 0.1 كيلو هرتز لضمان حل تردد. لهذه العينة، تعيين و 1 = 200 كيلو هرتز، و 2 = 450 كيلوهرتز و N = 8،192.
    4. قياس طيف الرنين من العينة في هذا النطاق التردد في درجة حرارة الغرفة وحفظ الطيف في ملف.
    5. تصدير البيانات ASCII من نتيجة قياسها إلى ملف.
    6. فتح بيانات ASCII مع برنامج التآمر البيانات. الأعمدة الأولى والثانية من مصفوفة البيانات تمثل أجزاء حقيقية وخيالية من RESPONSE، على التوالي.
  2. تحديد طرق المقابلة للترددات الرنين تقاس.
    1. رسم منحنى التردد السعة (الشكل 3). قمم تتوافق مع الرنين الترددات من العينة.
    2. حساب ترددات الرنين باستخدام قياس درجة حرارة الغرفة مجموعة كاملة الثوابت الموترة. قيم المعادلة 6 ، المعادلة 7 ، معادلة 10 تم تحديد في خطوات 2،4-2،8. قيم المعادلة 3 و المعادلة 4 تم تحديد في الخطوات 3.25 و 3.31. تحديد القص كهرضغطية ه ثابت 15 بواسطة الصيغة التالية: معادلة 51 . تقدير فال المدخلات الأوليةUES من معادلة 52 ، معادلة 53 ، ه 31 ه 33، استنادا إلى المواد الثوابت قياسها باستخدام تقنية مجتمعة من عدة عينات. وأعطيت معادلات لحساب تردد صدى لكل وضع في المرجع. 6.
    3. مقارنة ترددات الرنين حساب مع أولئك قياس لتحديد طرق المقابلة للترددات الرنين مدروسة.
    4. تختلف القيم خمنت من معادلة 71 ، المعادلة 9 ، ه و 31 ه 33 تكرارا لتقليل الخطأ الكلي العالمي بين الترددات الرنانة حساب وقياس. يتوقف التكرار عند الوصول إلى الدقة المطلوبة.

5. الرنين الطيف قنينةrement عند ارتفاع درجات الحرارة وتحديد الاعتماد درجة الحرارة من يشبع مجموعة المواد الثوابت

  1. قياس الرنين الترددات من عينة عند ارتفاع درجات الحرارة.
    1. وضع التجميع صاحب العينة إلى فرن الهواء (الشكل 4). استخدام اثنين من ارتفاع في درجة الحرارة الأسلاك الكابلات المحورية من خلال ثقب في جدار الفرن لربط التجميع إلى نظام RUS.
    2. وضع العينة في بين الإرسال والاستقبال محولات الطاقة التي هي بالفعل في الفرن، مع جهات الاتصال فقط على عكس زوايا من العينة.
    3. وضع الحرارية بالقرب من عينة للقراءة درجة الحرارة الفعلية. ربط الحرارية لمقياس الحرارة خارج من الفرن.
    4. إغلاق باب الفرن.
    5. تشغيل واجهة التحكم في النظام RUS. تحديد بداية وتوقف رحلاتها إلى 200 كيلوهرتز و 450 كيلوهرتز، على التوالي، وعدد من نقاط البيانات إلى 8192.
    6. تشغيل برنامج نظام قياس RUS، وقياس الصحائف الرنينquencies من العينة وحفظ النتائج إلى ملف.
    7. زيادة درجة حرارة العينة مع خطوة من ΔT = 5 درجات مئوية. كرر 5.1.6 حتى يتم التوصل إلى درجة الحرارة المطلوبة. إعطاء كل ملف حفظ باسم مختلف.
      ملاحظة: يتم تحديد حد درجة الحرارة الأعلى بواسطة أسلاك الاتصال ومحولات الطاقة. هنا، وحدة RUS لديها حدود درجات الحرارة الأعلى من 200 درجة مئوية.
  2. تحديد الاعتماد درجة الحرارة من مجموعة كاملة المادة الثوابت.
    1. كرر الخطوات من 4.1.5، 4.1.6 و 4.2.1 لكل مجموعة البيانات عند درجات حرارة مختلفة.
    2. التعرف على طريقة كل تردد الرنين. استخدام وسائط حددت في درجة حرارة T كمرجع لدرجة الحرارة T المقبل + ΔT.
    3. تناسب اعتماد درجة حرارة تردد صدى قياس المقابلة لكل واسطة في وظيفة بسيطة (على سبيل المثال، خطي أو وظيفة من الدرجة الثانية) باستخدام البرمجيات بالتآمر.
    4. تحديد كامل الثوابت مجموعة المواد من صالحترددات الرنين تيد في كل درجة الحرارة باستخدام برنامج الذاتي مكتوب الكمبيوتر الذي يحل مشكلة المتخلفة RUS (الشكل 5 الشكل 6).
      ملاحظة: ترددات الرنين من وسائط حددت بمثابة معلمات الإدخال إلى حسابات عددية. إجراءات تحديد الثوابت المواد من ترددات الرنين هو غير الخطية أقل مشكلة المربعات في العثور على شراع المحلي وظيفة الانحراف معادلة 54 ، أين معادلة 55 هو تردد صدى محسوب، معادلة 56 هو تردد صدى المجهزة من نتائج قياس، وث i هو عامل الترجيح. وقد كتب على أساس رمز الكمبيوتر لحساب الثوابت مواد غير معروفة من ترددات الرنين يقاس على Levenberg-Mauquardt (LM) خوارزمية 8 و بعض الوظائف الفرعية FORTRAN في MINPACK 9 كانت تسمى عند تنفيذ خوارزمية LM.
  3. وضع علامة عند الاتساق الذاتي للمجموعة كاملة المواد الثوابت.
    1. حساب الثوابت عازلة خالية معادلة 48 و معادلة 50 من نتائج انقلاب ومقارنتها مع تلك التي تقاس مباشرة (الشكل 7) 10.
    2. تحقق من البيانات التي تم الحصول عليها وضع لمعرفة ما إذا كانوا يطيعون حالة من الاستقرار الحرارية، على سبيل المثال، معادلة 58 لحالة PZT.
    3. مقارنة قيم د 15 حسابها باستخدام معادلة 59 و معادلة 60 ، وقيم د 33 تحسباستخدام معادلة 61 و معادلة 62 .
      ملاحظة: ستكون هذه العلاقات تختلف عن التماثلات مختلفة، ولكن المبدأ هو نفسه. عموما، إذا كان الخطأ النسبي أقل من 5٪ بين كميات توقع وقياس، سيتم النظر في نتائج 11 متسقة ذاتيا. في بعض البيانات المنشورة، فإن حتى علامة تكون خاطئة عندما يتم حساب كمية باستخدام صيغ مختلفة 4،11.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

في نظام العد LM المستخدمة في انقلاب هو الحد الأدنى مكتشف المحلي. ولذلك، فإن القيم الأولية من الثوابت صلابة مرنة المعادلة 6 ، المعادلة 7 ، المعادلة 8 ، المعادلة 9 و معادلة 10 وينبغي إيلاء، والثوابت كهرضغطية، ه 15 ه 31 ه 33 ضمن نطاق معقول من القيم الحقيقية. الثوابت المعادلة 6 ، المعادلة 7 و معادلة 10 ، في درجة حرارة الغرفة ويمكن تحديدها بدقة من قبل ultrason جيم نبض صدى التقنية. الثوابت كهرضغطية ه 15 في درجة حرارة الغرفة ويمكن تحديد الصيغة: معادلة 51 . لذلك، والقيم فقط من المعادلة 8 ، المعادلة 9 ، ه 31 ه 33 في درجة حرارة الغرفة ضرورة أن يقدر في عملية البداية. يمكن استخدام أساليب بالموجات فوق الصوتية أو الرنين التقليدية باستخدام عدة عينات للحصول على مجموعة كاملة الثوابت المواد في درجة حرارة الغرفة. على الرغم من أن النتائج التي تم الحصول عليها عن طريق استخدام عدة عينات قد تكون غير متناسقة، فهي جيدة بما فيه الكفاية لاستخدامها القيم تخمين الأولية لل المعادلة 8 ، المعادلة 9 والبريد الإلكتروني 33 31 و.

ن الصفحات = "1"> أرقام 5 و 6 اظهار مكونات الموتر قياس مرونة ثابتة ومكونات معامل إجهادي الموترة، على التوالي، بوصفها وظيفة من درجة الحرارة لعينة مظاهرة PZT-4 السيراميك 10. يمكن للمرء أن يرى من الشكل 5 أن الثوابت المرنة المعادلة 6 ، معادلة 53 و معادلة 10 زيادة مع درجة الحرارة مع الثوابت المرنة المعادلة 7 و معادلة 52 مستقلة تقريبا من درجة الحرارة في نطاق درجة حرارة 20-120 درجة مئوية. من ناحية أخرى، E الثوابت كهرضغطية 33، ه 31 ه 15 وبقوة درجة الحرارة تعتمد كما هو مبينفي الشكل (6).

الرقم 7 هو المقارنة بين الثوابت عازلة قياس (نقطة) تحت الضغط حالة حرة وتلك التي تنبأ (خطوط) محسوبة على أساس مجموعة ثوابت المواد الكاملة التي حصل عليها طريقة RUS 10. تم التوصل إلى اتفاق ممتاز على حد سواء معادلة 65 . في الشكل 8، النقاط تمثل الثوابت كهرضغطية د 15 و د 33 حسابها باستخدام مجموعة واحدة من صيغة بينما تمثل الخطوط قيمهم حسابها باستخدام مجموعة أخرى من الصيغة على النحو الوارد في خطوة 5.3.3. مرة أخرى، تم العثور على اتفاق ممتاز لكل من كميات. وأكدت هذه النتائج أن مجموعة كاملة الثوابت المواد التي تم الحصول عليها لعينة piezoceramic PZT-4 هو للغاية لدرجة حرارة تتراوح 20-120 ° C-ثابت النفس. الأخطاء النسبية المقدرة من الثوابت قياسبواسطة طريقة RUS أقل من 3٪. لاحظ أنه إذا الثوابت المادية مصفوفة كاملة ليست متسقة ذاتيا، لا بد من إعادة فحص سلامة عملية تحديد الهوية عينة واسطة.

الشكل 1
الشكل 1: هو متوازي مستطيلة PZT-4 عينة piezoceramic أبعاد تقاس ميكرومتر هم: ل س = 4.461 مم، ل ذ = 6.073 ملم ول ض = 4.914 ملم. كثافة كتلة من هذه العينة هي 7،609.2 كجم / مم 3. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: الإعداد التجريبية لقياس الاب الرنين equency الطيف. وهو يتألف من نظام الرنين الحيوي وجهاز كمبيوتر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3):. رنين طيف الموجات فوق الصوتية للعينة هو مبين في الشكل 1 في 30 درجة مئوية (الأحمر) و 100 درجة مئوية (الأزرق) حيث ينقل الطيف ببطء مع زيادة درجة الحرارة. يمكن سائط تم تحديدها في درجة حرارة الغرفة بمثابة مرجعية لأعلى تحديد وضع درجة الحرارة. أعطيت اتفاقية التدوين وسائط صدى في إشارة 6. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تحميل / 53461 / 53461fig4.jpg "/>
الرقم 4: فرن الهواء مع الإرسال والاستقبال محولات داخل استخدمت ينبو 3 بلورات واحدة لجعل الإرسال والاستقبال محولات لتحمل درجات الحرارة العالية. تم استخدام الحرارية لقياس درجة حرارة العينة داخل الفرن. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5: نتائج عكس الثوابت صلابة مرنة معادلة 66 ، معادلة 67 ، معادلة 68 ، معادلة 69 ومعادلة 70 وعموما، فإن الثوابت صلابة مرنة المعادلة 6 ، المعادلة 9 و معادلة 10 ، وزيادة مع درجة حرارة 20-120 درجة مئوية. مقارنة مع المعادلة 6 ، المعادلة 9 و معادلة 10 والثوابت المعادلة 7 و المعادلة 8 هي أقل حساسية للحرارة. ثابت معادلة 10 ما يقرب من وظيفة خطية من درجة الحرارة. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 10 مع permissi على من الوكالة النشر LLC. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6: نتائج عكس الثوابت الضغط كهرضغطية، معادلة 72 ، معادلة 73 و معادلة 74 إن الثوابت الضغط كهرضغطية معادلة 72 ، معادلة 75 و معادلة 76 زيادة مع درجة حرارة 20-120 درجة مئوية. ثابتوفاق / ftp_upload / 53461 / image075.jpg "/> وما يقرب من دالة خطية من درجة الحرارة. وقد تم تعديل هذا الرقم من إشارة 10 بإذن من الوكالة النشر LLC. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7: مقارنة بين الثوابت عازلة خالية قياس وتوقع خط الصلبة ويصل مثلثات هي ل معادلة 48 . خط متقطع ومثلثات أسفل هي لل معادلة 50 . الأخطاء النسبية معادلة 78 و معادلة 79 هي أقل من 1.6٪ و 2.4٪، على التوالي، في من درجات الحرارة كاملة إعادة مجموعة من 20-120 درجة مئوية، حيث معادلة 80 و معادلة 81 يتم قياس وحساب المعادلة 1 على التوالي، وحيث معادلة 82 و معادلة 83 يتم قياس وحساب معادلة 77 ، على التوالي. تم تعديل هذا الرقم من إشارة 10 بإذن من الوكالة النشر LLC. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8: مقارنة بين84 "SRC =" / ملفات / ftp_upload / 53461 / image084.jpg "/> و معادلة 85 القيم المحسوبة باستخدام صيغ مختلفة. الصيغ الحسابية ل معادلة 86 هي: معادلة 59 (خط الصلبة الأزرق) و معادلة 87 (المثلث الأزرق)، ول معادلة 88 هي: معادلة 89 (أحمر متقطع خط) و معادلة 62 (مربع أحمر). الأخطاء النسبية لل معادلة 90 هي أقل من 0.8٪، و 1.2٪، على التوالي، في نطاق درجات الحرارة كله. الرجاء CLإك هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9
الرقم 9: نموذجي الرنانة طيف الموجات فوق الصوتية لعينة PZT-5A وس عامل الجودة من العينة PZT-5A حوالي خمسة وسبعين (12). بصفة عامة، وانخفاض Q-factor للعينة، وأكثر صعوبة لتحديد واسطة. عموما، فإن طريقة RUS لا تعطي نتائج دقيقة عند Q-عامل أقل من 100. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تقنية RUS الموصوفة هنا يمكن قياس الثوابت الكاملة المواد مجموعة باستخدام عينة واحدة فقط، مما يلغي الأخطاء الناجمة عن تغير الملكية من عينة لعينة بحيث الاتساق الذاتي يمكن أن تكون مضمونة. هذه الطريقة يمكن أن تستخدم في أي مادة صلبة مع عامل جودة عالية س، بغض النظر إذا كانت كهرضغطية أم لا. وتتطلب جميع التقنيات توصيف قياسية أخرى عدة عينات للحصول على البيانات مجموعة كاملة ويصعب الحصول على بيانات متسقة ذاتيا.

من المهم قياس بدقة الثوابت المرنة المعادلة 6 ، المعادلة 7 و معادلة 10 بواسطة طريقة النبض صدى الموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة. وإلا، فإن تحديد الوضع سيكون صعبا للغاية بسبب ترددات الرنين حساب العديد من وسائط حساسة لهذهالثوابت.

وفشل الحسابات انقلاب في درجة الحرارة الأولية يؤدي إلى فشل تحديد الثوابت مجموعة كاملة عند ارتفاع درجات الحرارة بسبب استخدام تحديد وضع في درجة الحرارة الأولية كأساس لتحديد الوضع عند ارتفاع درجات الحرارة.

في درجة حرارة الغرفة، 6 الثوابت من 10 الثوابت يتم تحديدها ويمكن الحصول عليها من طريقة نبض الصدى والقياسات السعة. ومن هنا، فقط 4 ثوابت غير معروفة، المعادلة 8 ، المعادلة 9 ، ه 31 ه 33، تحتاج إلى أن يقدر في الجولة الأولى من الحساب إلى الأمام في إجراء RUS. يمكن تخمينها القيم انطلاق لهذه المجاهيل 4 على أساس الثوابت أخرى معروفة (في نفس الترتيب من حيث الحجم). بصفة عامة، وتحديد نحو 20 طرق سهلة في RUS لعملية جناح. وحددت هذه الأوضاع 20 بسهولة لأنها تفصل أيضا في الطيف الرنين، مثل الاتحاد الافريقي 3 و جي-1 وسائط في الشكل (3). ومطابقة هذه الأوضاع 20 عن طريق ضبط قيم الإدخال من هذه الثوابت يقدر ب 4 تعطينا مجموعة من أكثر دقة خمنت القيم. ثم، أكثر عدد من وسائل يمكن تحديد ما يناسبها من الترددات تحسب مع أولئك تقاس باستخدام قيم الإدخال خمنت أفضل. وأخيرا، وذلك باستخدام أكثر عدد من وسائل تحديد والقيم أكثر دقة ل المعادلة 8 ، المعادلة 9 ، ه 31 ه 33 يمكن صقلها من قبل عملية المتخلفة في طريقة RUS.

للحد من التقلبات العشوائية في البيانات المقاسة، أنه تم تركيب الاعتماد درجة حرارة ترددات الرنين قياس المقابلة لكل وضع على وظيفة متعدد الحدود. لاحظ أنه يجب أن يكون هناك وجود عدد كاف من وسائط قياس لضمان دقة النتائج انقلاب. من التجربة، يجب أن يكون عدد من ترددات الرنين قياس 5 مرات على الأقل في عدد من الثوابت المادية يحدد لاحقا 13.

يصف هذا البروتوكول إجراءات تحديد الاعتماد درجة حرارة الكاملة الثوابت المواد المصفوفة بواسطة تقنية RUS، وذلك باستخدام PZT-4 السيراميك كمثال على ذلك. التركيز هنا هو على إجراءات تقنية RUS، وليس قياس النتائج من PZT-4 10.

في درجة الحرارة من الإعداد محدودة بسبب التحمل درجة حرارة الأسلاك الكهربائية ومحولات الطاقة داخل الفرن. يمكن استخدام هذه التقنية في درجات حرارة أعلى من ذلك إذا تم عقد العينة من قبل اثنين من قضبان العازلة ويتم إرسال إشارة صوتية وحصل من خلال قضبان العازلة. في هذه الحالة، سوف الأسلاك الكهربائية ومحولات الطاقة يكون خارج من الفرن لتجنب التدفئة.

ر "> ومن حيث المبدأ، فإن هذا الأسلوب RUS يمكن استخدامها في أي نوع من أنواع المواد الصلبة طالما أن لديها عالية Q-قيمة الميكانيكية (> 100). بالنسبة للمواد منخفضة القيمة س، هناك مشكلة تداخل الذروة، مما يجعل من الصعب التعرف على ترددات الرنين كما هو مبين في الشكل 9.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PZT-4 TRS
paraffin MTI Corporation 8002-74-2
conductive silver paint MG Chemicals 842-20G
Al2O3 Powder MTI Corporation
coupling grease Panametrics

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jaffe, B., Cook, W. R., Jaffe, H. Piezoelectric Ceramics. , Academic Press. (1971).
  2. Chaussy, C., Thuroff, S., Rebillard, X., Gelet, A. Technology insight: High-intensity focused ultrasound for urologic cancers. Nat. Clin. Pract. Urol. 2, 191-198 (2005).
  3. Haar, G. T., Coussios, C. High intensity focused ultrasound: physical principles and devices. Int. J. Hyperthermia. 23, 89-104 (2007).
  4. Topolov, V. Y. Comment on "Complete sets of elastic, dielectric, and piezoelectric properties of flux-grown [011]-poled Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(28-32)% PbTiO3 single crystals". Appl. Phys. Lett. 96, 196101 (2010).
  5. Li, S. Y., et al. Characterization of full set material constants of piezoelectric materials based on ultrasonic method and inverse impedance spectroscopy using only one sample. J. Appl. Phys. 114, 104505 (2013).
  6. Ohno, I. Rectangular parallellepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz. Phys. Chem. Miner. 17, 371-378 (1990).
  7. Ogi, H., Kawasaki, Y., Hirao, M., Ledbetter, H. Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients. J. Appl. Phys. 92, 2451 (2002).
  8. Pujol, J. The solution of nonlinear inverse problems and the Levenberg-Manquardt method. Geophysics. 72, 1-16 (2007).
  9. Moré, J. J., Garbow, B. S., Hillstrom, K. E. User Guide for MINPACK-1. Argonne National Laboratories Report ANL-80-74. , (1980).
  10. Tang, L. G., Cao, W. W. Temperature dependence of self-consistent full matrix material constants of lead zirconate titanate ceramics. Appl. Phys. Lett. 106, 052902 (2015).
  11. Topolov, V. Y., Bowen, C. R. Inconsistencies of the complete sets of electromechanical constants of relaxor-ferroelectric single crystals. J. Appl. Phys. 109, 094107 (2011).
  12. Berlincourt, D., Krueger, H. H. A. Properties of Morgan Electroceramic ceramics. Technique publication TP-226. , Morgan Electroceramics. (2000).
  13. Migliori, A., Sarrao, J. L. Resonant ultrasound spectroscopy. , Wiley Press. (1997).
  14. Zadler, B. J., Le Rousseau, J. H. L., Scales, J. A., Smith, M. L. Resonant ultrasound spectroscopy: Theory and application. Geophys. J. Int. 156, 154-169 (2004).

Tags

الهندسة، العدد 110، مجموعة كاملة من الثوابت المادية، رنين الموجات فوق الصوتية الطيفي (RUS)، والمواد كهرضغطية، والاعتماد درجات الحرارة
توصيف يشبع مجموعة المواد الثوابت ومنها الاعتماد درجة الحرارة لمواد الكهروإجهادية عن طريق الرنين الموجات فوق الصوتية الطيفي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tang, L., Cao, W. Characterization… More

Tang, L., Cao, W. Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy. J. Vis. Exp. (110), e53461, doi:10.3791/53461 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter