压电陶瓷裂纹检测和再利用

  压电陶瓷是易碎和敏感的元件，有极大几率会出现肉眼无法检测到的内部裂纹。一旦当压电陶瓷内部出现微裂纹就会导致换能器温度上升，转换效率降低以及换能器的频率发生明显的变化，极度影响超声设备的正常使用。因此压电陶瓷出现裂纹一定要马上丢弃或者更换，以免安装到换能器上后过早的出现故障，这会增加维修和更换成本。

  本文将介绍一种实用而有效的方法，用于检测超声波传感器和转换器中使用的压电陶瓷的裂纹。该方法是声学共振检测（ASTM-E2001）的一个应用，通过阻抗分析仪获得频谱。

  出现裂纹的新陶瓷的数量可能高于3%，这取决于它们的来源和制造商质量控制的严格性。这个百分比是需要重视的，因为只有一个有裂纹的陶瓷就足以影响到超声波换能器或转换器。

  每个刚体都一定会出现与振动模式相关的谐振频率。环状和盘状压电陶瓷主要与径向和厚度振动模式有关。

  图4显示了三种常见且完整的商用压电陶瓷片的典型阻抗曲线 mm 的较大环，存在对应于谐波基本径向模式的二次谐振。其他具有类似尺寸的环形陶瓷片也呈现同样的模式。

  裂缝的存在允许出现额外的振动和谐振模式，这能够最终靠使用分析仪和软件来检测。图5和图6显示了两个类似压电陶瓷的阻抗图谱（阻抗模块作为频率/曲线Z(f)的函数），（图2）完整、开裂（图3）开裂。

  将阻抗分析仪、桌面软甲以及陶瓷片夹具同时使用，将夹具连接到阻抗分析仪的BNC接头。在此预配置下，分析仪和软件将执行 10 至 200 kHz 之间的扫描。

  将压电陶瓷片插入压电保持器。该附件能够容纳厚度介于0和19 mm之间、直径介于15和100mm之间的盘和环，没有正负极。

  通过单击“开始”（图10）或使用快捷命令Ctrl-N做测量。然后，检查所获得的曲线是否细微或有没有低振幅扰动（见图2和图3）。如果检测到寄生模式，则压电陶瓷开裂，必须丢弃。可通过无损超声检测（脉冲回波）确认是不是真的存在裂纹。

  注意要点：该方法对陶瓷片边缘的碎屑不敏感，出现这样一种缺陷的陶瓷即使没有开裂，也必须丢弃。还需要仔细考虑阻抗分析仪的量程范围，10~200KHz 必须在量程范围内。

  陶瓷的断裂是造成传感器和环能器故障的根本原因。下图举例说明了一个35kHz的受损换能器，突出显示了破裂的压电陶瓷片。然而，并不是所有损坏的换能器的陶瓷片都一定收到损伤。相反，有些可能会被修复以降低维护成本，主要是在制造测试过程中出现过早期故障时。为此，有必要使用一种方法来保证将被重复利用的陶瓷片中不存在裂缝。

  带有断裂的压电陶瓷片的超声波转换器。其他的片子在经过内部裂纹的测试后被恢复并使用。

  对于经常使用后发生故障的传感器和转换器，很可能完整的陶瓷会出现寿命减少和压电常数偶尔变化的情况。然而，这并不妨碍这些陶瓷被翻新。

  为了回收使用过的陶瓷，除了测试它们的裂纹外，还有必要去除可能偶尔存在于工件侧面的绝缘清漆或环氧树脂。此外，最好使用2500粒或更高级的磨料垫轻轻打磨陶瓷电极，以消除痕迹和污垢。重要的是要注意避开过度打磨和随之而来的电极脱落。