Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计
超声波检测传感器的设计与应用研究
超声波检测传感器的设计与应用研究随着科技的不断发展，许多新兴技术的出现都带来了极大的变革，其中超声波技术便是其中之一。
超声波是指在频率大于20kHz（20,000Hz）的声波，其在医疗、工业等领域都广泛应用。
超声波技术在生命科学领域发挥了重要作用，其中超声波检测传感器是应用超声波技术的重要途径之一。
本文将介绍超声波检测传感器的设计原理、应用场景及其实际应用效果。
一、超声波检测传感器设计原理超声波检测传感器是将超声波技术应用到传感器中的一种方法。
其使用声波脉冲的概念来检测目标物体并测量其距离、速度和方向等信息。
超声波检测传感器是一种非接触式的传感器，其使用超声波波束来探测目标物体的表面。
超声波检测传感器可以采用不同的工作频率，常见的频率为40kHz。
这种频率对人体无危害并且适用于大多数应用场景。
超声波检测传感器是电子元器件，由脉冲发射器、接收器、放大器、时钟和逻辑控制电路等组成。
当脉冲发射器向目标物体发出超声波时，它会以一定的速度传播，当它到达目标物体表面时，它将被反射并返回到传感器内部。
接收器将接收到的超声波信号传送到放大器进行放大，信号将被处理以确定目标物体的距离或其他特征。
这些特征可以通过采用不同的传感器设计方法进行改变。
例如，可以将传感器放置在指定距离处或将其固定在物体表面，以便检测特定距离或特定位置的目标物体。
二、超声波检测传感器应用场景超声波检测传感器在许多不同的行业中都有着广泛的应用，如医学、制造和采矿工业等行业。
下面将简要介绍超声波检测传感器在几个行业中的应用。
（一）医学行业医学行业是超声波技术的主要应用领域之一。
医生们使用超声波检测传感器来检查身体内部，了解病患的内部情况。
在妇科等领域，这种传感器可以用于卵巢癌的早期检测。
此外，它还可以用于检查肝脏、胰腺和血管等器官的状况。
（二）制造业在制造行业中，超声波检测传感器主要应用于检测材料缺陷、尺寸和位置等。
这种传感器可以用于检测金属薄片、塑料件、纺织品等产品的质量。
Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计
传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2008年第27卷第5期Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计滕 舵,陈 航,朱 宁,杨 虎,诸国磊(西北工业大学航海学院,陕西西安710072)摘 要:超声传感器是一种电声转换器件,其敏感元件压电陶瓷控制传感器的主要性能。
设计了一种谐振频率为140k Hz的Tonpilz型压电陶瓷超声传感器,从压电方程入手,建立了不同的理论模型,对等效网络法和有限元法2种不同的设计方法进行了比较。
相应的试验表明:有限元法的分析结果直观明了、建模快捷、分析准确,其误差可控制在5%以内。
设计研制的Tonpilz型传感器工艺简单、造价低廉、性能稳定。
关键词:传感器;压电陶瓷;超声;等效网络;有限元中图分类号:TB565 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)05-0084-03Design of Tonpilz type piezoelectric ceramicultrasonic transducerTEN G Duo,CH EN Hang,ZHU Ning,YAN G Hu,ZHU Guo2lei(College of Marine,N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi’an710072,China)Abstract:The ultrasonic transducer is an electroacoustic device.Its performance is determined mainly bythe properties of its sensitive element,namely piezoelectric ceramics.A140k Hz Tonpilz piezoelectricceramic ultrasonic transducer is investigated.Derived f rom the piezoelectric constitutive equation,theequivalent circuit model and finite element model are constructed respectively.The difference between abovetwo models is described.A comparison shows that the method of FEA has a good accuracy,and its analysiserror can be controlled within5%.So FEA is suitable for such type piezoelectric transducer.Sometransducer prototypes are made according to the design result.The corresponding test shows a goodperformance.K ey w ords:transducer;piezoelectric ceramic;ultrasonic;equivalent network;finite element0 引 言压电陶瓷超声传感器是一种可以综合利用压电陶瓷正向和反向压电效应实现电声能量相互转换的器件,其在超声医疗、无损探伤、石油探井以及海洋军事等方面均有重要应用[1]。
毕设表3任务书-超声治疗仪中压电陶瓷超声探头及超声发生器的设计
毕设表3任务书-超声治疗仪中压电陶瓷超声探头及超声发生器的设计郑州大学电气工程学院毕业设毕业设计（论文）任务书学生学号专业班级指导教师戴启军单位生物医学工程系职称校外指导教师单位职称题目一、毕业设计（论文）内容探讨医学超声换能器在生物医学工程中的应用；研究医学超声治疗探头的基本原理，设计并制作基于压电陶瓷的超声换能器，用于医学超声理疗；设计一台超声发生器，产生并向超声换能器提供超声频电能。
二、毕业设计（论文）应达到的主要指标超声频率：1MHz，3MHz输出强度：0.1-3W/cm2辐射范围：6.0cm2定时范围：0-30min输出模式：con连续，2-1秒间断，3-5秒间断，4-30秒间断三、设计（论文）成品要求1．毕业设计论文1份2．与毕业设计内容相关的英文翻译资料1份（不少于3000汉字）3．图纸：软件流程图与硬件结构图（包含于1中）4．软件：软件流程图（包含于1中）及源程序5．硬件：印刷电路板。
四、参考资料张红梅，WZ-1型超声治疗仪的研制，第一军医大学硕士学位论文，2002。
王蕾，超声波颈椎治疗仪——自制超声探头及超声生物效应检测设计研究，电子科技大学硕士学位论文，2009。
王紫峰，超声治疗仪控制电路的设计与研究，武汉理工大学硕士学位论文，2004。
五、进度安排周设计内容指导地1 了解毕业设计的目的、意义和基本周五（机动时间随时通知）生物医学工程专业实验室2 查阅文献资料。
制订设计方案，规3 硬件及软件设计。
4 硬件及软件设计。
5 硬件及软件设计。
6 硬件及软件设计、仿真实验。
7 硬件及软件设计、仿真实验。
8 硬件及软件设计、仿真实验。
9 硬件及软件调试。
10 硬件及软件调试。
11 硬件及软件调试。
12 硬件及软件调试。
13 撰写毕业设计论文和现场操作演14 毕业设计答辩。
外文文献翻译穿插在各周进行。
六、题目特征信息（打勾，可多选）□纵向科研；□横向科研；□自选科研；□实际工程设计；□纵向教研；□本院教研；□自选教研；□自选工程设计；□理论分析；□装置研发；□软件编制；□测试实验；七、实际课题依据（纵向或横向项目名称、来源和项目编号）系主任——————————年月日主管院长——————————说明:该任务书由指导教师填写，经学生所在系批准后，于毕业设计开始前发给学生。
水声换能器研究现状与发展
Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用, 2023, 11(2), 194-201 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/jsta https:///10.12677/jsta.2023.112021水声换能器研究现状与发展吴锐锋，王一博，胡童颖，崔廷放广州海洋地质调查局，广东 广州收稿日期：2023年1月3日；录用日期：2023年3月22日；发布日期：2023年3月31日摘要水声换能器在现代海洋军事与海洋资源开发中有着举足轻重的地位。
本文通过阐述水声换能器功能性材料技术、换能器、水听器技术取得的国内外领先成果和应用现状，最后对我国水声换能器的发展动态谈些认识与展望。
关键词水声换能器，水听器技术，发展动态Progress and Development of Underwater Acoustic TransducerRuifeng Wu, Yibo Wang, Tongying Hu, Tingfang CuiGuangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou GuangdongReceived: Jan. 3rd , 2023; accepted: Mar. 22nd , 2023; published: Mar. 31st , 2023AbstractUnderwater acoustic transducer plays a pivotal role in modern marine military and marine re-source development. This paper expounds the leading achievements and application status of un-derwater acoustic transducer functional material technology, transducer and hydrophone tech-nology at home and abroad, then give the development trends of underwater acoustic transducer.KeywordsUnderwater Acoustic Transducer, Hydrophone Technology, Development Trends吴锐锋等Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言当今世界各国积极发展海洋军事的战略中不难发现，探测安静型、隐形化目标，发展海洋装备从而加强海上防御能力，都是不可或缺的一部分。
压电陶瓷超声波传感器的工作原理及结构特征
压电陶瓷超声波传感器的工作原理及结构特征
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由于其工作可靠、安装方便、防水型、发射夹角较小、灵敏度高等特点，广泛应用在物位液位监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域。
众所周知，压电陶瓷是制作超声波传感器探头的常用材料。
下面就了解一下压电陶瓷超声波传感器的工作原理及结构特征。
当电压作用于压电陶瓷时，压电陶瓷就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。
利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。
相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。
基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
将超声波传感器的一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。
谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。
压电陶瓷超声波传感器使用有一点需要注意的是，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。
在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。
因为压电陶瓷的声阻抗是空气声阻抗的105，这就会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失，这时就需要将一种特殊材料粘附在压电陶瓷超声波传感器上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配，这样才能达到测量的目的。
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仅供参阅！。
超声传感器的设计与测试
超声传感器的设计与测试超声传感器是一种重要的传感器类型，它可以用于物体距离测量、障碍物探测、位置和速度测量等应用领域。
本文将介绍超声传感器的设计过程，以及如何测试其性能。
一、超声传感器的设计超声传感器的设计需要考虑以下几个方面：1. 发射器和接收器的选择超声传感器包括发射器和接收器两部分。
发射器通常使用压电陶瓷晶体，通过施加电压使其产生压力波，从而发射超声信号。
接收器也采用压电晶体，能够将接收到的信号转换成电信号。
2. 频率的选择超声传感器发射的频率需要根据应用场景进行选择。
一般而言，频率越高，能够传输的信息量就越大，但是信号衰减也越快。
因此，一些需要长距离探测的应用场景可能需要选择低频率的超声传感器。
3. 发射和接收角度的设计超声波传播的范围和方向很容易受到物体的影响。
为了提高精度和稳定性，需要根据应用需求选择合适的波束角度。
在实际设计中，还需要考虑信号的反射和散射情况，以及环境对传感器造成的影响。
4. 外壳和电路的设计超声传感器外壳需要具备抗震、防水、耐高温等特性，以适应各种场景下的应用需求。
电路的设计也需要考虑信号放大、滤波、干扰抑制等因素。
二、超声传感器的测试超声传感器的测试主要包括以下几个方面：1. 基本参数测试包括静态和动态特性测试，如电压、电流、频率、收发灵敏度、衰减等。
这些参数需要根据应用需求进行测试，并在合适的范围内调整传感器参数以提高其性能。
2. 距离测量测试测量超声传感器探测到的物体距离，需要根据实际情况选择合适的距离范围和测试环境。
在测试过程中，需要重点关注测量误差、稳定性等方面。
3. 障碍物探测测试测量超声传感器对障碍物的探测能力，需要使用具有反射面的物体进行测试。
在测试过程中，需要关注探测限制、分辨率、误差等方面。
4. 速度和位置测量测试超声传感器还可以用于测量物体的速度和位置。
在测试中，需要根据实际应用情况选择合适的测试范围和测试方法。
总之，超声传感器是一种重要的传感器类型，其性能关乎应用效果，设计和测试均需要充分考虑应用需求和测试环境，以达到最佳的性能表现。
压电声传感器PPT课件
晶片、电极铜片、金属节板和金属前后盖板之间用环氧树脂胶合。 由于压电陶瓷的抗压应力远大于抗拉应力;胶合层在大振幅的情况下通常也 在拉伸阶段遭到破坏,所以加上预应力螺钉把振子的晶片和胶合部分加上预 压应力。加上预应力螺钉对共振频率有小的影响,而电声效率不变,所承受的 最大功率却要增加数倍。金属前盖板通常采用硬铝或镁铝合金等轻金属,后 盖板通常采用钢或黄铜。前盖板采用轻金属,后盖板用重金属,是为了得到大 的前后盖板的位移比。
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1
2
3 4
3.1 8 cm 5
6
图7.7 圆柱形水听器的结构
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7.2.1 薄壁圆管的共振频率方程 长为l,平均半径为a,边界自由的薄壁圆管的共振频率方程为
( 2
2 r
)(
2
v
2 2 1
)
2 4
式中,ωl=vπ/l,ωr=v/a,v为声速,σ为泊松系 数,ν=1,3,5…
n
Sd 33 lSsEs
第310页/共53页
由运动方程和边界条件可推导出喇叭形前盖板的等效机电图,如图 7.12所示。图中Ｓ1和S2分别表示喇叭胫和喇叭口的截面积。以下标2表示 喇叭形前盖板的常数。圆柱形后盖板的等效机电图与图7.5有相同的形式,只 是其中
Z1
j 1v1S1
tan
k1l1 2
Z2
1v1S1
j sin k1l1
Z1 p
j
eve
S1
tan(
1 2
pkele )
Z2p
e ve S1
j sin( pkele )
第332页/共53页
j
2v2 S1 k2l2
压电陶瓷超声波传感器制备流程
压电陶瓷超声波传感器制备流程英文版Piezoelectric Ceramic Ultrasonic Sensor Fabrication ProcessPiezoelectric ceramic ultrasonic sensors are widely used in various industries for their ability to convert mechanical vibrations into electrical signals. The fabrication process of these sensors involves several steps to ensure their efficiency and reliability.1. Material Selection: The first step in the fabrication process is selecting the appropriate piezoelectric ceramic material. The material must have high piezoelectric coefficients and good mechanical properties to ensure the sensor's sensitivity and durability.2. Preparation of Ceramic Powder: The selected ceramic material is ground into a fine powder to ensure uniformity and consistency in the sensor's properties. This powder is then mixed with a binder and solvent to form a slurry.3. Green Body Formation: The slurry is poured into a mold and pressed to form a green body of the sensor. The green body is then dried to remove the solvent and binder, leaving behind a solid ceramic structure.4. Sintering: The green body is then sintered at high temperatures to densify the ceramic structure and enhance its piezoelectric properties. The sintering process also helps to remove any remaining impurities in the ceramic material.5. Polishing and Electrode Deposition: After sintering, the ceramic sensor is polished to ensure a smooth surface for optimal performance. Electrodes are then deposited on the sensor's surface to facilitate the conversion of mechanical vibrations into electrical signals.6. Testing and Calibration: The final step in the fabrication process involves testing and calibrating the sensor to ensure its accuracy and reliability. The sensor is subjected to various mechanical vibrations to determine its sensitivity and response time.By following these steps, manufacturers can produce high-quality piezoelectric ceramic ultrasonic sensors for a wide range of applications, including medical imaging, industrial inspection, and automotive sensors.压电陶瓷超声波传感器制备流程压电陶瓷超声波传感器被广泛应用于各个行业，因为它们能够将机械振动转换为电信号。
基于压电陶瓷的超声腔内换能器设计与制造
基于压电陶瓷的超声腔内换能器设计与制造超声腔内换能器（Intracavitary Transducer, ITC）是一种用于医学超声成像和治疗的设备。
基于压电陶瓷的超声腔内换能器设计与制造是腔内医学超声技术中的关键组成部分。
本文将介绍压电陶瓷的工作原理、超声腔内换能器的设计和制造过程。
一、压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种能够将机械能转化为电能，并且反之亦可的智能材料。
其工作原理基于压电效应和逆压电效应。
压电效应是指在受到外力作用下，压电材料的晶格结构发生畸变，从而产生电荷分离，形成电势差。
而逆压电效应则是指施加电压会导致压电材料的尺寸发生改变。
压电陶瓷具有快速响应、高灵敏度和耐高温等优点，因此在超声腔内换能器的设计中得到了广泛应用。
二、超声腔内换能器的设计要素在设计超声腔内换能器时，需考虑以下几个要素：频率、阻抗匹配、形状和尺寸。
1. 频率：超声腔内换能器的频率选择应根据特定应用的需求。
不同频率的超声波可用于不同的医学成像和治疗目的。
频率的选择取决于成像的深度以及被检测或治疗的目标器官的特性。
2. 阻抗匹配：超声腔内换能器的阻抗应与被测物质或治疗部位的阻抗相匹配，以确保最大能量传递。
阻抗匹配的优化可以提高成像的分辨率和治疗的效果。
3. 形状和尺寸：超声腔内换能器的形状和尺寸应根据特定应用的需求进行设计。
常见的形状包括圆柱形、球形和片状等。
尺寸的选择取决于换能器的工作频率、焦距和目标器官的尺寸。
三、超声腔内换能器的制造过程超声腔内换能器的制造过程包括材料选择、加工工艺和装配。
1. 材料选择：制造超声腔内换能器的关键材料是压电陶瓷，常用的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛石英）和PZT-5H等。
此外，还需要选择适合的金属材料作为电极。
2. 加工工艺：首先，将压电陶瓷材料切割成所需的形状和尺寸。
然后，在压电陶瓷片上涂覆金属电极，通常使用真空蒸镀或喷涂技术。
接下来，通过精细加工技术，如研磨、打磨和机械铣削，将换能器的表面进行加工，以提高表面平整度和光滑度。
压电陶瓷超声波传感器制备流程
压电陶瓷超声波传感器制备流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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1. 材料制备。
选择合适的压电陶瓷粉末，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
超声传感器的制造和应用
超声传感器的制造和应用随着科技的不断发展，传感器技术也越来越成熟，其中超声传感器因其高精度、广泛适用性和低成本等优点，已被广泛应用于医疗、军事、工业等领域。
本文将从超声传感器的制造和应用两个方面进行探究。
一、超声传感器的制造超声波传感器是利用声波的回声波形成的辐射、接收和处理的一种电传感器。
超声波传感器包括发射器和接收器两部分。
发射器将电能转换成机械振动，而接收器则将振动转换成电能。
通常，它们都被安装于同一块芯片上。
超声波传感器主要有共振腔式、压电陶瓷式、表面声波式等几种类型。
制造超声波传感器的通常步骤包括制备压电陶瓷、制备压电陶瓷复合材料、制备共振腔子板和装配，具体措施包括：1. 制备压电陶瓷在超声波传感器制造过程中，压电陶瓷是一种非常重要的材料。
大部分超声波传感器的共振板和压电换能器都是由压电陶瓷制成的。
因此，制备压电陶瓷是制造超声波传感器的关键步骤之一。
2. 制备压电陶瓷复合材料压电陶瓷复合材料是将压电陶瓷与聚合物复合在一起制成的。
压电陶瓷复合材料是超声波传感器中的重要材料，在超声波传感器的制造过程中起着至关重要的作用。
3. 制备共振腔子板共振腔是超声波传感器中的重要部分，它的设计和制造直接影响超声波传感器的性能。
共振腔子板是共振腔的核心部件之一，起到共振作用。
共振腔子板的制造一般采用高精度加工方式。
4. 装配超声波传感器的装配工作包括将各个零部件装配在一起，形成一个完整的超声波传感器。
装配工作需要进行高精度的定位和粘合，以确保超声波传感器的性能和可靠性。
二、超声传感器的应用超声波传感器在医疗、军事、工业等领域中有着广泛的应用，下面将列举一些常见的应用：1. 医疗超声波传感器在医疗领域中应用广泛，主要应用于图像设备、心脏听诊器、超声波手术刀等。
例如，超声波手术刀可以通过超声波将能量聚焦在一个非常小的区域，使手术精密、快速、低创伤。
2. 军事超声波传感器在军事领域中主要用于声纳和雷达系统。
例如，潜艇上的声纳设备可以通过超声波传感器感知海底的物体，包括敌舰。
压电传感器在超声振动系统中的设计与应用
压电传感器在超声振动系统中的设计与应用
罗晓宁;周兆英;曹群;张毓笠
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2002(000)006
【摘要】将压电原理用于实现超声振动系统的频率自动跟踪.在振动系统设计中加入压电传感片,压电传感片跟随系统振动,并产生感应电压.谐振时,感应电压达到最大值,搜寻感应电压最大值就能实现频率自动跟踪.压电传感器的设计可以采用四端网络法,该方法简单实用.为达到最佳灵敏度,应该尽可能让压电传感器靠近振动系统节面位置.压电传感器设计简单,实现容易,跟踪精度高,并且稳定可靠.还能同时用于实现对刀具的安全保护功能.
【总页数】2页(P6-7)
【作者】罗晓宁;周兆英;曹群;张毓笠
【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.9
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1.船用柴油机喷油系统夹持式压电传感器的设计与应用 [J], 刘敏林;吴家明
2.压电传感器在动平衡测量系统中的设计与应用 [J], 李英霞;蔡萍;秦鹏;胡庆翰
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4.压电传感器在射击辅助训练系统中的应用 [J], 苏圆; 庄建军; 李雅婷; 余飒爽; 杨诗宇; 武秀峰; 邹鸣
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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2008年第27卷第5期Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计滕 舵,陈 航,朱 宁,杨 虎,诸国磊(西北工业大学航海学院,陕西西安710072)摘 要:超声传感器是一种电声转换器件,其敏感元件压电陶瓷控制传感器的主要性能。
设计了一种谐振频率为140k Hz的Tonpilz型压电陶瓷超声传感器,从压电方程入手,建立了不同的理论模型,对等效网络法和有限元法2种不同的设计方法进行了比较。
相应的试验表明:有限元法的分析结果直观明了、建模快捷、分析准确,其误差可控制在5%以内。
设计研制的Tonpilz型传感器工艺简单、造价低廉、性能稳定。
关键词:传感器;压电陶瓷;超声;等效网络;有限元中图分类号:TB565 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)05-0084-03Design of Tonpilz type piezoelectric ceramicultrasonic transducerTEN G Duo,CH EN Hang,ZHU Ning,YAN G Hu,ZHU Guo2lei(College of Marine,N orthw estern Polytechnical U niversity,Xi’an710072,China)Abstract:The ultrasonic transducer is an electroacoustic device.Its performance is determined mainly bythe properties of its sensitive element,namely piezoelectric ceramics.A140k Hz Tonpilz piezoelectricceramic ultrasonic transducer is investigated.Derived f rom the piezoelectric constitutive equation,theequivalent circuit model and finite element model are constructed respectively.The difference between abovetwo models is described.A comparison shows that the method of FEA has a good accuracy,and its analysiserror can be controlled within5%.So FEA is suitable for such type piezoelectric transducer.Sometransducer prototypes are made according to the design result.The corresponding test shows a goodperformance.K ey w ords:transducer;piezoelectric ceramic;ultrasonic;equivalent network;finite element0 引 言压电陶瓷超声传感器是一种可以综合利用压电陶瓷正向和反向压电效应实现电声能量相互转换的器件,其在超声医疗、无损探伤、石油探井以及海洋军事等方面均有重要应用[1]。
这种传感器的敏感元件是某些像压电陶瓷一样的特殊物质,是一种能够将机械能和电能进行互相转换的功能材料[2],只有经过极化处理的压电陶瓷才具有正向和反向压电效应。
所谓正向压电效应是指压电陶瓷在受外力作用时,除发生形变及内部产生应力外,还会产生极化强度和电位移;而反向压电效应是指当压电陶瓷受电场作用时,除产生极化强度和电位移外,还会产生应变并产生应力。
本文从描述压电陶瓷根本特性的压电方程入手,建立不同的理论模型,分别采用梅森等效网络法和有限元法进行分析设计,并对其进行一个综合的对比。
1 压电陶瓷超声传感器的等效网络模型Tonpilz在德语里有蘑菇的意思,一般称具有这种近似蘑菇型外观的传感器为Tonpilz结构,其主要组成部分包括压电晶堆、辐射头、尾质量块以及预应力螺栓等。
其中,辐射头用于辐射和接收声能,压电晶堆为有源材料,它既具有弹性介质的性能,又具有电介质的性能,同时具有压电体的性能,压电方程则是对这3种特性进行综合描述的数学表示[3]。
根据实际压电传感器的机械和电学边界条件的不同,压电方程存在4种不同的工作状态,从而对应4种不同的压电方程。
假设传感器是处于机械夹持(S=0,c;T≠0,c)和电学短路(E=0,c;D≠0,c)状态下,其压电陶瓷的极化方向沿z轴向,则压电方程的具体形式可以写成收稿日期:2008-03-12 48第5期 滕 舵,等:Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计 T 1T 2T 3T 4T 5T 6D 1D 2D 3= x y z yzzx xy x y zc E11c E12c E1300000-e 31 c E11c E1300000-e 31 c E330000-e 33 对 c E4400-e 150 称 c E410-e 1500 c E66000000e 150εs110000e 15000εs11e 31e 31e 3100εs33・S 1S 2S 3S 4S 5S 6E 1E 2E 3 x y z yzzxxy x y z,(1)式中 T 为应力向量;S 为应变向量;D 为电位移向量;E 为电场强度向量;c E 为在恒定电场状态下测得的弹性系数矩阵;εS为在恒定应变状态下测得的介电系数矩阵;e 为压电系数矩阵。
通过相应的简化假设[4],结合波动方程、几何方程和力学边界条件,可以得出压电传感器的等效网络,如图1所示。
其中,ρ,c ,k ,S 和l 分别为前辐射头的密度、声速、波数、横截面积和长度;下标f 为前辐射头;下标c 为压电晶堆;下标b 为质量块。
C 0为压电陶瓷的静态电容;<为机电转换系数。
图1 Tonpilz 型压电超声传感器的等效网络Fig 1 Equivalent net w ork of T onpilz type piezoelectricultrasonic transducer 当传感器受电场激励进行振动时,在压电晶堆的某处存在一个“节面”将传感器分为2个部分,节面处的振速为0,换能器以此为界向前后2个方向辐射声能。
节面前后的2个部分均拥有各自的频率方程,通过图1所示的等效网络,可以得出传感器的频率方程为tg (k c l c 1)=ρc c c S cρf c f S f ctg (k f l f ),(2)tg (k c l c 2)=ρc c c S cρb c b S b ctg (k b l b ),(3)l c =l c 1+l c 2.(4)由此可以得出传感器的谐振频率,并可进一步通过上面的等效网络获得传感器的其他性能参数。
2 压电陶瓷超声传感器的有限元分析有限元法是目前压电传感器设计的有效方法之一,根据传感器的实际结构和工作状态,将系统离散化成有限个单元,通过这有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接。
由于单元形式的灵活性,因此,可以模拟各种几何形状复杂的求解域。
这样处理后,有限元单元划分的越多,其有限元模型就越接近于实际结构。
与其他压电传感器的分析模型相比,这种有限元模型不需要做大规模的简化假设,不管传感器的结构怎样复杂,也不管传感器工作状态怎样变化,其计算结果都能较为真实地反映传感器的性能。
图2为应用ANSYS 进行压电分析的一般流程图。
图2 应用有限元进行压电分析的流程图Fig 2 Flow ch art of typical ANSYS analysis 应用ANSYS 分析压电类传感器涉及到了结构(位移)和电场(电荷)之间的耦合。
ANSYS 提供了可用于直接分析压电耦合的单元,如,PLANE13,SOL ID5和SOL ID98等,这些单元既包含用于描述位移的自由度ux ,uy ,uz ,也包含用于描述电场的自由度volt 。
通过ANSYS 的这种直接耦合分析可分析压电传感器的应力应变状态,谐振频率和振型情况,以及传感器在谐振频率附近的各种响应曲线,并可进一步解决传感器的阻抗、频宽、效率甚至声辐射问题。
Tonpilz 型压电超声传感器属于三维平面对称结构,为了建模的简单和计算的快捷,通过定义相应的对称来仅建立整体结构的1/4模型,如图3所示,其中,压电陶瓷片定义为SOL ID5单元,并确定选项Keyopt (1)=3,使其激活58 传感器与微系统 第27卷ux ,uy ,uz 和volt 自由度;预应力螺栓、辐射头与尾质量块定义为SOL ID5单元,并确定选项Keyopt (1)=2,使其激活ux ,uy 和uz 自由度;建模时忽略胶体部分。
图3 压电式超声传感器有限元模型(1/4模型)Fig 3 1/4symmetry f inite element model ofpiezoelectric transducer 在有限元建模过程中值得注意的是,由于压电陶瓷片是各向异性的,其沿极化轴(假设为z 轴向)的特性是不同于其他方向的。
为了获得正确的分析结果,必须保证压电陶瓷参数输入的准确。
就现在公开发表的大部分文献而言,其压电陶瓷参数的输入顺序都是基于IEEE 标准的[5],如同式(1),即各子矩阵是按照x ,y ,z ,y z ,x z ,x y 的循序排列的。
然而,ANSYS 软件却不遵循这种排序标准[6],它的子矩阵的排列顺序为x ,y ,z ,x y ,y z ,x z 。
为了确保ANSYS 分析过程中压电材料参数的输入和极化方向的定义正确,需将式(1)按ANSYS 标准重新排序[7],这点尤为重要,否则,分析结果将是不正确的。
3 实验分析通过等效网络模型和有限元模型分别进行分析,并对其主要参数进行对比。
图4(a )是通过等效网络模型解析得到的传感器在空气中的导纳曲线,其谐振频率为132.4k Hz ;图4(b )是ANSYS 通过谐响应分析得到的导纳曲线,其谐振频率为146.3k Hz ;图4(c )是精密阻抗分析仪Agilent 4294A 实测的导纳曲线,该曲线显示传感器实际谐振在143.6k Hz 上。
分析可知,等效网络模型误差较大,这是由于该模型做了相对较大的简化假设,使之与实际模型存在一定的出入。
相比之下,有限元模型的误差较小,基本可控制在5%以内,甚至更好。