Estudo da apodização de ceramicas piezoeletricas
Mauricio Gomes Duarte
DISSERTAÇÃO
Português
(Broch.)
T/UNICAMP D85e
[Study of apodization of piezoeletric ceramics]
Campinas, SP : [s.n.], 2003.
139p. : il.
Orientador: Vera Lucia da Silveira Nantes Button
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação
Resumo: o objetivo deste trabalho foi aprimorar o processo de apodização de discos de cerâmica piezoelétrica utilizado no LUS (Laboratório de Ultra-Som, DEB/FEEC e CEB, UNlCAMP), buscando estabelecer uma melhor relação entre tempo de aplicação do campo elétrico e a temperatura do banho de óleo...
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Resumo: o objetivo deste trabalho foi aprimorar o processo de apodização de discos de cerâmica piezoelétrica utilizado no LUS (Laboratório de Ultra-Som, DEB/FEEC e CEB, UNlCAMP), buscando estabelecer uma melhor relação entre tempo de aplicação do campo elétrico e a temperatura do banho de óleo isolante usado no processo. A apodização das cerâmicas piezoelétricas é utilizada para reduzir a difração no campo acústico gerado por transdutores de ultra-som, como já foi comprovado no LUS em trabalhos anteriores. Buscou-se reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico através do ensaio de temperaturas diferentes do óleo mineral que banha o disco cerâmico e verificando em quais ensaios foi obtida uma boa apodização. Foram utilizadas cerâmicas piezoelétricas PZT-5A de 12,7mm de diâmetro, com 0,885mm (EDO Acoustics) e lmm (APCI) de espessura. O campo elétrico aplicado foi de 2kV/mm de espessura de cerâmica, e um eletrodo esférico de 5mm de raio foi usado para formatar o campo elétrico de apodização. Foram utilizados dois tipos de óleo mineral: o Nujol, que acima de 160°C evapora rapidamente e o óleo da CooperPower, que permitiu utilizar temperaturas até 250°C, com pouca evaporação. Os discos cerâmicos apodizados para os quais o coeficiente eletromecânico do modo espessura, kt, resultou em valores acima de 0,37, foram considerados bem apodizados. O óleo isolante foi aquecido a temperaturas diferentes entre 120°C e 250°C e o campo elétrico foi aplicado por períodos de 2 minutos até 4 horas e 30 minutos (tempo necessário para a temperatura do óleo resfriar até 25°C). Este estudo também incluiu a avaliação do efeito de sucessivas despolarizações e repolarlzações nos modos de vibração da cerâmica piezoelétrica. Os resultados confirmaram que, usando temperaturas mais altas (acima de 200°C), o campo elétrico precisa ser aplicado durante um período menor. Apodizações que utilizaram temperatura igual a 160°C, só mostraram acoplamentos bons quando o campo permaneceu aplicado enquanto o óleo resfriava até 25°C. Apodizações em que o óleo foi aquecido a temperaturas inferiores a 160°C não apresentaram bons resultados, independentemente do tempo de aplicação do campo elétrico. Os resultados também mostraram que o efeito de aplicar o campo elétrico ainda antes do óleo ser aquecido foi um aumento do acoplamento eletromecânico obtido, comparando com o resultado de um processo de apodização semelhante, mas em que o campo elétrico só foi aplicado depois do aquecimento do óleo. O mesmo efeito não foi observado com as apodizações em que utilizou-se a temperatura mais alta possível, 250°C, usando o óleo mineral da Copper Power. Concluiu-se
que, usando a temperatura igual a 250°C, foi possível reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico de apodização, com resultados satisfatórios, de mais de 4 horas para apenas 2 minutos. No entanto, o processo que utiliza uma dada relação tempo de aplicação do campo/temperatura do óleo, e que apodiza satisfatoriamente uma cerâmica com lmm de espessura, pode resultar na polarização convencional (linear) de uma cerâmica mais fina, como a cerâmica com espessura igual a O,885mm. Algumas das cerâmicas apodizadas foram usadas para construir transdutores de ultra-som. Os campos acústicos gerados pelos transdutores construidos foram mapeados, confirmando o aumento da profundidade do campo acústico, como conseqüência da redução da difração acústica, obtida a partir da apodização da polarização das cerâmicas piezoelétricas Ver menos
que, usando a temperatura igual a 250°C, foi possível reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico de apodização, com resultados satisfatórios, de mais de 4 horas para apenas 2 minutos. No entanto, o processo que utiliza uma dada relação tempo de aplicação do campo/temperatura do óleo, e que apodiza satisfatoriamente uma cerâmica com lmm de espessura, pode resultar na polarização convencional (linear) de uma cerâmica mais fina, como a cerâmica com espessura igual a O,885mm. Algumas das cerâmicas apodizadas foram usadas para construir transdutores de ultra-som. Os campos acústicos gerados pelos transdutores construidos foram mapeados, confirmando o aumento da profundidade do campo acústico, como conseqüência da redução da difração acústica, obtida a partir da apodização da polarização das cerâmicas piezoelétricas Ver menos
Abstract: The objective of this work was to optimize the process of apodization of piezoelectric ceramics disks, looking for the better relation between the insulating oil bath temperature and the smaIlest period of time through which the poling field must be applied. The apodization of the...
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Abstract: The objective of this work was to optimize the process of apodization of piezoelectric ceramics disks, looking for the better relation between the insulating oil bath temperature and the smaIlest period of time through which the poling field must be applied. The apodization of the piezoelectric ceramic is performed to reduce the diffraction in the acoustic field generated by ultrasonic transducers. We looked for the best initial temperature of the insulating mineral oil that surrounds the piezoelectric ceramic, and how long the poling electric field must be applied to the ceramic to achieve a good apodization. We used 12.7mm diameter, 0.885mm and lmm thickness PZT-5A ceramic disks. The non-uniform poling electric field (2kV/mm) has been shaped by a 5mm radius spherica1 electrode. The apodized ceramic disks which showed piezoelectric coupling coefficient values larger than 0.37, were considered well apodizated. We used oil temperatures from 120°C to above 200°C and the electric field was applied for periods of at least 2 minutes to up to 4 hours and third minutes (until the oil temperature cooled down to 25°C). This study a1so inc1uded the ceramic disk evaluation after successive depolarizations and repolarizations. The results showed that using higher temperatures (above 200°C) we needed to apply the poling field for a shorter time. Temperature equa1160°C was efficient on1y ifthe poling field was applied until the oil was cooled down to 25°C (4 hours and thirty minutes). The results also showed that if the poling electric field was applied to the piezoelectric ceramic even before the oil was heated, we obtained larger piezoelectric coupling coefficients, compared to the poling processes where the electric field was applied to the ceramic on1y afier the oil was heated. This was not necessary if we used higher temperatures (250°C). We concluded that using higher temperatures (250°C) it was possible to reduce the apodization process, with good results, from more than 4 hours to on1y 2 minutes. Ultrasound transducers were built; their acoustic fields were mapped in a water tank, and the results confirmed the increasing of the depth of the acoustic field, as consequence of the acoustic difraction reduction
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