传感器材料声纳系统——亚博网站下载材料的比较

Bac主要

年代onar系统具有扩展功能的新兴,因为新的换能器驱动材料。亚博网站下载镍和压电陶瓷声纳的设计限制在25年前开始联系。同时海军军械实验室(NOL),现在海军水面作战中心(NSWC)开始开发金属合金的镧系元素“巨型”磁致伸缩特性。这些材料承诺亚博网站下载更大的声功率和其他功能,如较低的频率,更广泛的带宽,和更高的可靠性。

TERFENOL-D

从那时起,磁致伸缩TERFENOL-D被商业开发为镧系元素材料最适合开车最大的声功率,相对低频设备,包括声纳。app亚博体育

TERFENOL-D镧系元素的金属间化合物合金铽和镝结合铁(Fe)和商业化生产浓度晶体。这个名字与NOL结合的符号元素,来自起源的设施。这种材料通常是提供给制造商准备组装成设备,而不需要进一步的处理。

设计数据可以使声学工程师可供选择的各种可能的声纳驱动材料生产设计将最好的满足系统需求。亚博网站下载某些材料允许电气亚博网站下载和电磁能量方便被转导()转换成其他形式的能量,如机械能。转导材料一般也显示了相反的亚博网站下载效果:事件机械能转化为电磁能量。尽管许多材料以及传感器亚博网站下载的功能,更少的有效输入电磁能量转化为可观数量的机械输出能量。

比较材料耦合Co-e亚博网站下载ffic的流动

最直接的方法是通过比较各种传导材料参数象征k亚博网站下载²耦合系数的平方。k²措施的入射能量传导到输出。理解k的物理起源和意义²,考虑相对知名的电子变压器的分析。k²参数是衡量两个变压器线圈之间的相互耦合。在这里,一个线圈产生的磁通的自身电感L₁由互感相关(象征),通过通量线程的数量或连接第二线圈自身电感L₂。对于任何两个线圈,M有相同的绝对值无论线圈是精力充沛。通过一个能量参数,参数k²被定义为米₂/l₁l₂,比例代表的能量耦合比率。它定义了事件的上限电磁能量转换成机械能输出能量。排除不可避免的损失,其余的入射能量存储作为一个电场或磁场,两者都可以恢复。如果没有耦合,k²是零和热力学规定上限不能超过统一。

磁致伸缩材料的应变往往是二次。亚博网站下载不管磁场极性,他们要么收缩增加字段(镍)或扩大与增加字段(TERFENOL-D)。二次压力也是一个特性的新型陶瓷称为中性粒细胞,铅镁铌酸。(因为应变是二次,中性粒细胞是正确归类为电致伸缩而非压电)。最大化平等应变输出在一个空点,二次材料部分与静态字段扩展所需的零。亚博网站下载

这就是所谓的偏见。两者之间的交流能量耦合线圈的磁场。使用相同的推导方法,它可以表明,d M等于内在材料属性₃₃通过这一块电转换材料连接轴向弹性场的轴向磁场。d的单位₃₃是米每米的轴向应变除以入射电场强度在安培每米或伏特每米。同样的,我₁相当于的轴向电介电常数ε₃₃^T或磁导率µ₃₃^T在弹性应力T是保持不变,和L₂相当于1 / Y轴向弹性柔量多少₃₃^X入射电磁场X在哪里是保持不变的。然后k²被定义为:

磁致伸缩

压电

下标33意味着因果关系都是沿着轴向方向(3)测量。

参数k²有时被称为能源效率,但它确实是电磁场叠加在静态字段然后对零使积极的和消极的运动。普通压电陶瓷、压电陶瓷,不需要字段偏差范围的一部分,但输出可以最大化的偏见。TERFENOL-D、压电和中性粒细胞夫妇更多的能量单位体积如果机械压应力偏差(预应力)最大化,与相应的电磁场的偏见。这是因为大压力远足零可以适应没有克服偏见的压力。

方便,美国海军与TERFENOL-D相比非常新型PZT-8和中性粒细胞数据。这些数据表中复制。连贯表达的表MKSA SI单位,允许直接比较的电、磁、机械数量不需要乘法的因素。历史背景和参考,镍的一些属性,一个较好的镍磁致伸缩合金应用于第二次世界大战的海军声波都包含在桌子上。

热性能来自制造商公布的数据。海军参考比较机电能量密度有限的两场和压力。表中的这些值进行比较。

Depoling

列表属性不显示,压电陶瓷数据是接近寿命应力极限。也就是说,压电陶瓷不是压缩进一步避免失去其性能。因为压电现象需要改变天然水晶对称,压电陶瓷的性能不断降低,因为它往往会回到它的自然状态,这一过程称为depoling。Depoling加快任意组合的过分强调,过度紧张,过电压或过热现象。率depoling能发现各种商业压电陶瓷制造商的表。假设海军运营其压电声纳投影机最大长期应力限制最大化能量转换材料单位体积和单位经济生活。

注意,可以repoled恢复退化的压电性能。的实用性和便利性,这不是通常在设备安装完成。app亚博体育磁致伸缩的对齐(浓度晶体)TERFENOL-D固有财产,还原并不是必需的。

表1。比较形状变化的材料属性

定义

µ₀=4πx10⁷伏秒/安培计自由空间的渗透性。

ε0=c²µ0¹库仑/电压计的介电常数是自由空间。

C=299792456米/秒是光速。

单位:=安培;公斤=公斤;m =计;J =焦耳;K = K;N =牛顿;s =秒;V =伏特;W =瓦特。

唯一已知TERFENOL-D是融化的永久退化机制,这需要温度大于1200°C,或机械冲击。如果没有融化,冷却恢复完整的性能。的极限破坏通常是由电磁线圈的发热限制用于施加振荡磁场。

越过火车

TERFENOL-D不能过度劳累。制造商的商业TERFENOL-D声纳索赔数以千万计的周期没有可测量的变化。据报道,海军原型TERFENOL-D驱动投影仪操作超过1亿周期没有失败。

当压力过大时,TERFENOL-D仅仅低于设计值的输出。因此,预应力可以增加超出了表中的数据,最大限度地提高设备的能量密度。磁致伸缩很重要,近70 MPa预应力,上面测试数据是有限的。压电陶瓷的极限拉伸应力是附近TERFENOL-D,暗示没有优势材料对机械冲击的敏感度。

导电性和涡流

TERFENOL-D的电导率结合变化的磁场能传感产生涡流,在陶瓷并不在考虑之列。涡流的影响在TERFENOL-D由纹理最小化。材料切片平行于其圆柱轴(即平行应变轴与压电陶瓷被削减垂直于其应变轴),然后结合绝缘环氧树脂。介绍了最近,线锯技术在生产中,减少材料损失和成本。应该注意的是,磁路的所有部分都必须为涡流控制而设计的。

电压灵敏度

对电压TERFENOL-D并不敏感。对压电陶瓷设备合理的电压范围内操作,一个单独的元素的长度是有限的。压电陶瓷需要一个rms(均方根)电场强度约为390伏特每毫米厚度。(中性粒细胞甚至更高。)更高的电压缩短寿命。从压电陶瓷需要提取潜在力量有限的单个元素厚度,由电气安全性和实用性,包括预防电晕放电。位移是由叠加获得由介电材料分隔各个部分。叠加和连接细晶圆制造和可靠性问题。合规的环氧树脂用于债券晶片吸收测量的输出。

压电陶瓷电极的相对珍贵的材料,如银和钯。亚博网站下载非均匀电场分布产生应力集中,导致电极附近的微裂缝和不活跃的地区。电极材料的迁移到陶瓷可能会加剧电压应力和微观裂纹。

介电常数

另一方面,压电陶瓷具有更高的相对介电常数对自由空间的相对渗透率比TERFENOL-D对自由空间。这简化了的任务确保电场均匀性与确保磁场均匀性的任务。

共振频率

成功设计的机电换能器需要仔细注意动态系统行为在不同的频率,通常在共振。采用一个简化的ƒ集中参数方法,无阻尼共振频率_n形变材料弹性杆的驾驶质量近似刚度的平方根除以三分之一的均匀分布质量+驱动的质量。无阻尼系统兴奋在共振自毁能源被添加到没有其他地方可去。在现实世界中,总是有阻尼以来所有传导材料操作不可逆。亚博网站下载每个材料包含不同的阻尼机制,最终运动转化为热量,并减少理论无阻尼共振的频率实际阻尼共振。此外,陶瓷本质上是热的不良导体。永久热量积聚降解性能,在来的情况下。

作为横的因素

这些动态行为可以通过Q,总结一个参数称为品质因数。机械问的数字测量电抗除以质量阻尼电阻或,同样,刚度电抗除以阻尼电阻。质量乘以圆频率称为质量电抗和假设与电阻相同的单位,即单位速度力量。同样,弹簧刚度除以圆频率称为刚度电抗。材料没有损失就有问无穷。

这个简化的讨论问解释它的意义在一个纯粹的机械动力系统。有纯电动力系统的等效参数。然而,在电转换材料的情况下,尤其是那些具有高机电k亚博网站下载₂耦合比率,传感器不能被纯粹的电气或纯机械术语。当运行动态,机械负荷的影响很明显在电气方面的阻抗变化,反之亦然。单独的这些影响是一个普遍的误解,随之而来的困难理解传感器动态行为。因此,电源的输出级放大器和负载动态必须被视为一个完整的动态系统在设计过程中。

未来发展潜力

压电陶瓷发展长期的资助和聪明才智附近达到最大潜力如表1所示。相比之下,名义上的属性TERFENOL-D容易与成熟的陶瓷和超过他们的发展潜力。创新TERFENOL-D换能器设计仍然是新兴和潜力尚未充分利用的材料在商业设计。

镧系首次发现以来,磁致伸缩,改善TERFENOL-D材料、设计数据和模型已经成为声纳和其他声学设备的设计者。亚博网站下载更高的批量生产和投资改进制造方法导致了生产成本TERFENOL-D迅速下降。

理解每个材料的相对优势将援助工程设计师做出最好的选择对于一个给定的应用程序。

第一作者:Charles b .明亮