93328 (Прибор для измерения скорости кровотока), страница 6

Для безопасности использования корпус датчика должен быть изготовлен из пластмассы. Так же материал корпуса должен быть достаточно прочным для защиты внутренних элементов при ударах.

Для электромагнитной совместимости датчик необходимо экранировать, для этого внутреннюю сторону корпуса необходимо металлизировать и исключить возможность соединения корпуса с электродом пьезопластины.

Также должны быть выполнены общие требования, предъявляемые к материалам для изготовления медицинских приборов:

1) биологическая совместимость материала и среды, в которой он должен функционировать (отсутствие токсических реакций, аллергии);

2) стабильность функциональных свойств материала;

3) возможность стерилизационной обработки с целью соблюдения правил санитарии без изменения свойств и формы материала или изделия.

4.2 Выбор материала для пьезоэлектрического преобразователя

Так как для данного прибора выбран пьезокерамический преобразователь, то необходимо выбрать материал пьезопластины.

Выбор пьзоматериала в прямых преобразователях зависит от решаемых ультразвуковых задач, поэтому наряду с обычным требованием (максимальность квадрата коэффициента электромеханической связи) необходимо учесть то, что в качестве акустической нагрузки выступает среда с малым характеристическим импедансом. А так как амплитуда принятого сигнала пропорциональна коэффициенту прозрачности границы пьезоэлемент - нагрузка, то предпочтение следует отдавать пьезоматериалам с малым характеристическим импедансом. Также предпочтение следует отдать пьезоматериалам с малой диэлектрической проницаемостью.

Таким образом, в качестве материала для пьезоэлемента можно использовать пьезокерамику ЦТС-19П. Этот материал имеет пониженное значение диэлектрической проницаемости при достаточно высоких значениях коэффициента электромеханической связи. Это приводит к высоким значениям коэффициента g_ij, характеризующего чувствительность к механическому напряжению. Этой величине пропорциональна чувствительность холостого хода приёмного преобразователя акустических сигналов. Необходимо отметить высокую температуру Кюри пьезокерамики ЦТС-19П, обеспечивающую широкий интервал рабочих температур, а также высокую временную стабильность. Таким образом, пьезокерамика ЦТС-19П является высокочувствительной, обладает большими пьезомодулями, высокой прочностью и стабильностью свойств, имеет относительно высокую точку Кюри.

При работе пластинчатых преобразователей, как в режиме излучения, так и режиме приема используются колебания плоской поверхности пластины, соприкасающейся со средой, в направлении своей нормали.

Пьезоэлектрическая пластинка с электродами на больших гранях, размеры которых велики по сравнению с ее толщиной, при приложении электрического напряжения будет совершать продольные колебания по толщине.

Пластинчатую систему, совершающую продольные колебания, рассчитывают по формулам для полуволнового стержня.

4.3 Расчет основных параметров пьезоэлектрического преобразователя

4.3.1 Исходные данные для расчетов

Для расчета основных параметров пьезоэлектрического преобразователя приведем основные параметры пьезокерамики ЦТС-19:

скорость звука - 3120 м/с;

добротность Q_{к -} 50;

толщинный коэффициент электромеханической связи K_t - 0,54;

пьезомодуль d₃₃ - 10010¹² Кл/Н;

упругий модуль Н/м²;

диэлектрическая проницаемость 1060;

тангенс угла диэлектрических потерь tg - 0,02;

плотность р - 6000 кг/м³.

Измерительный преобразователь будет работать на частоте 2МГц.

4.3.2 Расчет геометрических параметров преобразователя

Определим ширину характеристики направленности преобразователя на уровне 0,707 (ширина главного максимума).

В соответствии с ТЗ глубина проникновения ; поперечная разрешающая способность ; продольная разрешающая способность . Таким образом:

Найдем длину волны в пьезопластине:

Теперь можно найти размеры пластинчатого преобразователя (w и l):

м;

м.

Для излучения волн длиной 0,77 мм толщина пластины должна быть равна:

Зная геометрические размеры преобразователя, определим площадь излучающей поверхности:

Угол расхождения ультразвукового пучка в дальней зоне зависит от диаметра и длины волны и может быть определён из выражения:

;

γ = 1.47º.

Данный угол удовлетворяет нашему техническому заданию (ширина характеристики направленности при поперечном пьезоэффекте равна 1,528º).

Найдем массу пьезопластины:

Для обеспечения продольной разрешающей способности необходимо изменять длительность зондирующего импульса. Так для обеспечения =1,5мм, длительность импульса должна быть:

с

Антирезонансная частота определяется из выражения:

,

где - коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрической пластины при продольных колебаниях по толщине.

4.3.3 Расчет энергетических характеристик преобразователя

В соответствии с ГОСТ 26831-86 интенсивность ультразвуковых колебаний применяемых в диагностике не должна превышать 50мВ/см².

При такой интенсивности излучения акустическая мощность излучателя будет равна:

Найдем коэффициент электромеханической трансформации (для поперечного пьезоэффекта):

Найдем эквивалентную массу:

Сопротивление излучения:

Добротность преобразователя:

Полоса пропускания:

Электрическое напряжение возбуждения, необходимое для получения заданной удельной акустической мощности при резонансе:

4.4 Описание конструкции ультразвукового датчика

Конструкция ультразвукового датчика приведена в приложении. В корпус преобразователя (1) помещается акустический резонатор, состоящий из пьезопластины, согласующих слоев и демпфера. Акустический резонатор прикрепляется в корпус преобразователя с помощью клея марки ПЭФ-2/10, склеивание происходит при комнатной температуре и давлении при склейке 10-20 кГ/см². Корпус преобразователя удерживается с помощью конструкции, состоящей из кронштейна (2), закрепленного неподвижно к корпусу датчика, и вала (3). Корпус преобразователя свободно качается относительно вала (3). Также к корпусу преобразователя с помощью вала (4) крепится шатун (5), другая сторона которого прикрепляется к кривошипу (6). Кривошипно-шатунный механизм используется для преобразования вращательного движения редуктора (4) в колебательное движение преобразователя с заданным углом. Плечо от оси крепления шатуна до оси, относительно которой происходит колебание преобразователя, определяет угол наклона преобразователя относительно вертикальной оси. Вращательное движение задается шаговым электродвигателем (7) FL28STH, который управляется с помощью котроллера SMSD-30. Контроллер управляется от ЭВМ. С помощью него задается шаг оборота, частота перемещения шагового двигателя. В результате чего устанавливается нужная скорость вращения двигателя, которая зависит от необходимой частоты колебания преобразователя при сканировании. При каждом повороте двигателя на заданный градус изменяется угол наклона преобразователя относительно вертикальной оси, при этом точно определяются координаты его положения. Для обеспечения колебания преобразователя в вертикальной плоскости используется редуктор (8), состоящий из двух конических зубчатых колес, закрепленных под прямым углом. Редуктор преобразует вращательное движение электродвигателя в горизонтальной плоскости во вращательное движение кривошипа в вертикальной плоскости. Горизонтальное зубчатое колесо редуктора жестко закреплено с вращающимся валом электродвигателя, а вертикальное с кривошипно-шатунным механизмом, который с помощью подшипников скольжения закрепляется в корпусе датчика (9). С задней стороны корпуса прикручивается крышка (10) с разъемом (11) SKINTOP MS, через который проходит сигнальный кабель (12) для соединения датчика с прибором для измерения скорости кровотока.

Для уменьшения потери энергии ультразвукового колебания при излучении в исследуемую среду используется промежуточная среда, заполненная акустически прозрачной жидкостью (13), в которой колеблется преобразователь. Для изолирования электрических контактов и соединений от рабочей жидкости используется непроницаемая перегородка (14). Конструктивно возможна установка перегородки непосредственно перед электродвигателем. Для большей герметичности между вращающимся валом и перегородкой ставится манжета уплотнительная резиновая (15). Таким образом, все вращающиеся части редуктора, кривошипно-шатунного механизма и корпус преобразователя находятся в рабочей жидкости. Это накладывает определенные требования на свойства жидкости: вязкости, плотности, химической реакции с материалами, из которых изготавливаются детали датчика. Жидкость должна обладать смазывающими свойствами для уменьшения трения валов в подшипниках скольжения, между зубьями колес редуктора, и уменьшения уровня шума работы механизмов. В качестве рабочей жидкости используется касторовое масло ГОСТ 6757-73.

Для исключения вытекания жидкости из корпуса датчика к нему прикручивается защитный колпачок (16), выполненный из звукопрозрачного, прочного материала для защиты движущегося преобразователя.

4.5 Технология изготовления пьезоэлектрического преобразователя

Пьезокерамические преобразователи в зависимости от назначения выполняются в различных конструктивных вариантах. В то же время можно выделить типовые технологические процессы, применяемые при изготовлении большинства конструктивных разновидностей пьезокерамических преобразователей. К ним следует отнести:

пайку электрических выводов к пьезокерамическим элементам и блокам;

склеивание пьезокерамических элементов и блоков;

герметизация преобразователей;

проверка параметров преобразователей, контроль герметичности и испытание гидростатическим давлением преобразователей.

4.5.1 Пайка пьезокерамического элемента

Пайка производиться для обеспечения электрического соединения посеребренной поверхности пьезокерамического элемента с электрическим выводом - проводам из латунного, бронзового, медного или серебряного проката. Все припаиваемые к пьезоэлементу выводы покрываются серебром гальваническим способом.

Так как для изготовления преобразователя, используемого при изготовлении проектируемого датчика, применяется пьезокерамика ЦТС-19П, поэтому исходя из технологических соображений, данную пьезокерамику необходимо паять низкотемпературным припоем с температурой плавления 91º. Поэтому в качестве припоя необходимо выбрать ПОС-61. Припой состоит из 40,2% свинца, 8,4% кадмия и 2% серебра (по весу).

Пайку и лужение пьезокерамического элемента и электрических выводов следует выполнять только с применением канифольно-спиртового флюса КСФ ( олова, этилового спирта). При производстве работ по лужению и пайке электрических выводов к пьезокерамике необходимо пользоваться паяльниками с автоматически регулируемой температурой жала.

Технологический процесс пайки пьезокерамического элемента включает в себя следующие операции:

подготовка электрических выводов:

подготовка поверхности пьезоэлемента;