2006 压电换能器性能参数与预应力关系的实验研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关键词 :预应力 ;压电换能器 ;性能参数 中图分类号 : TB552 文献标识码 :A
Experimental Investigation of the Relationship bet ween the Perf ormance Parameters of Piezoelectric Transducer and the Prestress
真结果存在一定的偏差 ,其原因是工艺误差和仿真 时材料参数设定为常数而不是随 f 变化 。
5 结束语
本文通过仿真和实验的验证分析了电感 、电容 元件结构参数对元件性能的影响 ,并提出了 L TCC 片式电感量和电容量的修正公式 。介绍了一种较成 熟的电感和电容的等效电路模型 ,综合结构参量对 元件的影响对建立 L TCC 无源元件的电路模型库 起到了一定的作用 。
L I Jun , HE Xi2ping , D ING Shao2hu
( Applied Acoustics InstitLeabharlann Baiduute , Shaanxi Normal Universit y , Xi′an 710062 , China) Abstract : The relationship between t he perfo rmance parameters and p rest ress of piezoelect ric t ransducer was
[ 2 ] C H IU C T , HORN G T S , MA H L , WU S M , et al. Super Broadband L umped Models fo r Embedded Pas2 sives[J ] . IEEE Elect ro nic Component s and Technolo2 gy , 2004 , 1 (124) :1 10421 107.
st udied. Resonance f requency , anti2reso nance f requency and equivalent elect rical circuit parameters of piezoelect ric
t ransducer under corresponding p rest ress were measured. The relatio n between t he perfo rmance parameters and t he p rest ress is as follows : Wit h increase of t he p rest ress , resonance f requency , anti - reso nance f requency , static elec2
(陕西师范大学 应用声学研究所 ,陕西 西安 710062)
摘 要 : 研究了换能器性能参数与预应力的关系 。测得了不同预应力下压电换能器的共振频率 、反共振频率 及等效电路参数 ,得出了这些参数值随预应力变化的规律 ,即随着预应力的增加 ,共振频率 、反共振频率 、静态电容 和动态电容随之增大 ,当预应力达到一定值后不再随预应力变化而趋于稳定值 ;动态电感几乎不随预应力的变化 而变化 ,始终保持为一定值 。
响 ,并给出了换能器在工作性能稳定时 ,对应装配期
图 1 换能器的结构
换能器的设计频率为 19. 7 k Hz[8] ,图 2 为换能 器的位移分布曲线 (坐标原点位于尾端 ,图 1 中的 x 轴为换能器的长度方向) ,位移节面见图 1 中 A B 。
间需施加预应力的最佳参考值 。实际应用中 ,可以
图 3 换能器的等效电路
表 1 不同预应力下测得的换能器各参数值
F/ N ·m f a / k Hz f r / k Hz C0 / n F C1 / p F L1 / m H 25 17. 97 18. 55 2. 23 169. 52 463. 50 35 18. 11 18. 84 8. 73 761. 37 101. 06 40 18. 11 18. 98 1. 46 49. 60 1 510. 17 50 18. 26 18. 98 4. 82 462. 39 178. 60 55 18. 33 19. 13 5. 26 480. 12 157. 25 60 18. 33 19. 16 16. 12 574. 93 131. 09 70 18. 33 19. 16 5. 56 533. 66 141. 33 75 18. 33 19. 20 5. 39 517. 42 145. 40 80 18. 36 19. 20 5. 15 495. 50 151. 70 90 18. 40 19. 27 7. 82 797. 90 98. 79 95 18. 40 19. 27 2. 97 710. 77 105. 42 100 18. 40 19. 27 15. 79 1 573. 21 47. 17 105 18. 40 19. 27 4. 37 448. 67 167. 89 110 18. 40 19. 27 4. 16 426. 24 176. 81
第30卷第1期
压 电 与 声 光
2008年2月
PIEZO EL EC TEC TRICS & ACOU STOO P TICS
文章编号 :100422474 (2008) 0120100202
Vol. 30 No . 1 Feb. 2008
压电换能器性能参数与预应力关系的实验研究
李 军 , 贺西平 , 丁少虎
6 (a) 、(b) 可看出 , C0 、C1 遵循的规律大致相同 。它 们先随 F 的增加而增大 ,当 F 达 60 N ·m 后 , C0 、 C1 随 F 而减小 ,但变化不大 。从图 6 (c) 可看到 ,随 F 的增加 , L1 变化不大 ,始终在一稳定值上下波动 , 在整个过程中基本保持为常数 。根据梅森等效电 路 , L1 来自于压电陶瓷振子的质量 , 由于整个过程 压电陶瓷振子的质量不随其他因素而改变 , L1 应保 持不变 。图 6 (c) 反映的情况与理论是一致的 。
根据本实验的方法迅速找到换能器的最佳预应力
值。
1 换能器的结构
图 1 为实验中所用换能器的结构 。其前后金属 盖板均为硬铝 ,前盖板喇叭形部分长度为 31. 8 nm , 其小端直径为 50 mm ,大端直径为 78. 2 mm ;喇 叭形部分前端的圆柱形部分长为 18. 7 mm ;后盖板
图 2 换能器的位移分布
t ric capacity and dynamic elect ric capacity increase first and t hen tend towards stability when t he p rest ress achieves
certain value. Dynamic inductance hardly varies wit h t he p rest ress and remains co nstant .
第 1 期
燕文琴等 :低温共烧陶瓷埋置电感和电容的研究
105
电容量基本满足
Ceff
=
(n-
1)ε0εr S
t
(4)
式中 n 为电容极板数 。
图 12 不同 f 下电容的 Ceff2S 及 Ceff2t 关系曲线
4. 3 实物测试结果 图 13 为电容样品的实测结果 。测试结果与仿
图 13 不同层数极板电容随频率的变化
参考文献 :
[ 1 ] HORN G T S , PEN G K C , J AU J K , et al. S2parame2 ter fo rmulation of quality factor for a spiral inducto r in generalized two2port configuration [ J ] . IEEE Radio Frequency Integrated Circuit s Sympo sium , 2003 , 51 (11) :2 19722 202.
参考文献 :
[ 1 ] 颜忠余 ,林仲茂. 夹心压电换能器的优化设计2分析各 参数对换能器性能的影响 [J ] . 声学学报 ,1995 ,20 (1) :
18225 .
(下转第 105 页)
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 6 C0 、C1 、L1 分别随 F 变化的曲线
4 结束语
本文通过实验测试 ,研究了换能器性能参数与 预应力的关系 ,即随着预应力的增加 ,共振频率 、反 共振频率 、静态电容和动态电容先增大 ,当预应力达 到一定值后不再随预应力变化 ,趋于稳定值 ;电感几 乎不随预应力的变化而变化 ,始终保持为一定值 。 对本文中给定的换能器 ,性能参数稳定时对应装配 期间所施加的最佳预应力是 90 N ·m 。
3 换能器性能参数随预应力的变化关系
3. 1 频率与预应力的关系 图 4 为 f a2 F 曲线 。由图可看出 ,当 F = 15 ～
60 N ·m时 , f a 随 F 的增加而增大 ;当 F 达 60 N · m 后 ,随 F 的增加 ,换能器的 f a 变化较小 ; 当 F 达 到 90 N ·m 后 ,随 F 的增加 ,换能器的 f a 基本不再 变化 ,而最终稳定在 18. 4 k Hz 。
第 1 期
李 军等 :压电换能器性能参数与预应力关系的实验研究
101
2 换能器的性能参数及等效电路测试
在实验中 ,将换能器固定在夹具上 ,用 TLB 型 扭矩扳手 (该扳手上带有扭矩指示针 ,可读出扭矩的 大小) 施加装配预应力 F ,然后用 H P 4192A 型阻抗 分析仪测试换能器的共振频率 f a 、反共振频率 f r 和等效电路中的有关参数 ,如图 3 所示 ,图中 L1 、 C1 、R1 分别为换能器动态电感 、动态电容 、动态电 阻 , C0 为换能器静态电容 ,具体数据如表 1 所示 。
功率超声领域 ,它得到了广泛的应用 。它的性能主
要受换能器的结构 、材料参数和装配时所施加的预
应力的影响 。组件相同的换能器 ,施加的预应力大
小不同 ,则换能器性能也会有所不同 。换能器的结
构 、材料参数对换能器的性能影响已有了大量 、深入
的研究[122] ,而关于预应力对换能器性能影响的研究
则较少 ,文献 [ 327 ] 主要讨论了换能器的预应力控 制 ,但都未能涉及预应力对换能器性能参数的影响 。 本文针对常用的夹心压电换能器 ,通过实验测试较 全面地研究了预应力大小对换能器性能参数的影
图 4 f a2 F 曲线
图 5 为 f r2 F 曲线 。由图可看出 , f r 的变化规
律与 f a 基本相同 。当 F 达 90 N ·m 后 , f r 最终稳 定在 19. 27 k Hz 。
图 5 f r2 F 曲线
3. 2 等效电路参数值与 F 的关系 图 6 为 C0 、C1 、L 1 分别随 F 变化的曲线 。由图
Key words :p rest ress ; piezoelect ric t ransducer ; performance parameter
夹心式纵向振动压电换能器具有结构坚固 、制 为圆柱形 ,其长为 60 mm ,直径 50 mm ;压电陶瓷
造工艺简单 、功率质量比大 、电声效率高等优点 。在 片为 PZT28 ,厚为 12. 6 mm ,直径为 50 mm 。
收稿日期 :2006211214 基金项目 :陕西省自然科学基金项目 (2007A07) ;陕西师范大学研究生创新基金资助项目 (2007CXS024) 作者简介 :李军 (19812) ,男 , 山西长治人 , 硕士生 ,研究方向为超声工程及换能器设计 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Experimental Investigation of the Relationship bet ween the Perf ormance Parameters of Piezoelectric Transducer and the Prestress
真结果存在一定的偏差 ,其原因是工艺误差和仿真 时材料参数设定为常数而不是随 f 变化 。
5 结束语
本文通过仿真和实验的验证分析了电感 、电容 元件结构参数对元件性能的影响 ,并提出了 L TCC 片式电感量和电容量的修正公式 。介绍了一种较成 熟的电感和电容的等效电路模型 ,综合结构参量对 元件的影响对建立 L TCC 无源元件的电路模型库 起到了一定的作用 。
L I Jun , HE Xi2ping , D ING Shao2hu
( Applied Acoustics InstitLeabharlann Baiduute , Shaanxi Normal Universit y , Xi′an 710062 , China) Abstract : The relationship between t he perfo rmance parameters and p rest ress of piezoelect ric t ransducer was
[ 2 ] C H IU C T , HORN G T S , MA H L , WU S M , et al. Super Broadband L umped Models fo r Embedded Pas2 sives[J ] . IEEE Elect ro nic Component s and Technolo2 gy , 2004 , 1 (124) :1 10421 107.
st udied. Resonance f requency , anti2reso nance f requency and equivalent elect rical circuit parameters of piezoelect ric
t ransducer under corresponding p rest ress were measured. The relatio n between t he perfo rmance parameters and t he p rest ress is as follows : Wit h increase of t he p rest ress , resonance f requency , anti - reso nance f requency , static elec2
(陕西师范大学 应用声学研究所 ,陕西 西安 710062)
摘 要 : 研究了换能器性能参数与预应力的关系 。测得了不同预应力下压电换能器的共振频率 、反共振频率 及等效电路参数 ,得出了这些参数值随预应力变化的规律 ,即随着预应力的增加 ,共振频率 、反共振频率 、静态电容 和动态电容随之增大 ,当预应力达到一定值后不再随预应力变化而趋于稳定值 ;动态电感几乎不随预应力的变化 而变化 ,始终保持为一定值 。
响 ,并给出了换能器在工作性能稳定时 ,对应装配期
图 1 换能器的结构
换能器的设计频率为 19. 7 k Hz[8] ,图 2 为换能 器的位移分布曲线 (坐标原点位于尾端 ,图 1 中的 x 轴为换能器的长度方向) ,位移节面见图 1 中 A B 。
间需施加预应力的最佳参考值 。实际应用中 ,可以
图 3 换能器的等效电路
表 1 不同预应力下测得的换能器各参数值
F/ N ·m f a / k Hz f r / k Hz C0 / n F C1 / p F L1 / m H 25 17. 97 18. 55 2. 23 169. 52 463. 50 35 18. 11 18. 84 8. 73 761. 37 101. 06 40 18. 11 18. 98 1. 46 49. 60 1 510. 17 50 18. 26 18. 98 4. 82 462. 39 178. 60 55 18. 33 19. 13 5. 26 480. 12 157. 25 60 18. 33 19. 16 16. 12 574. 93 131. 09 70 18. 33 19. 16 5. 56 533. 66 141. 33 75 18. 33 19. 20 5. 39 517. 42 145. 40 80 18. 36 19. 20 5. 15 495. 50 151. 70 90 18. 40 19. 27 7. 82 797. 90 98. 79 95 18. 40 19. 27 2. 97 710. 77 105. 42 100 18. 40 19. 27 15. 79 1 573. 21 47. 17 105 18. 40 19. 27 4. 37 448. 67 167. 89 110 18. 40 19. 27 4. 16 426. 24 176. 81
第30卷第1期
压 电 与 声 光
2008年2月
PIEZO EL EC TEC TRICS & ACOU STOO P TICS
文章编号 :100422474 (2008) 0120100202
Vol. 30 No . 1 Feb. 2008
压电换能器性能参数与预应力关系的实验研究
李 军 , 贺西平 , 丁少虎
6 (a) 、(b) 可看出 , C0 、C1 遵循的规律大致相同 。它 们先随 F 的增加而增大 ,当 F 达 60 N ·m 后 , C0 、 C1 随 F 而减小 ,但变化不大 。从图 6 (c) 可看到 ,随 F 的增加 , L1 变化不大 ,始终在一稳定值上下波动 , 在整个过程中基本保持为常数 。根据梅森等效电 路 , L1 来自于压电陶瓷振子的质量 , 由于整个过程 压电陶瓷振子的质量不随其他因素而改变 , L1 应保 持不变 。图 6 (c) 反映的情况与理论是一致的 。
根据本实验的方法迅速找到换能器的最佳预应力
值。
1 换能器的结构
图 1 为实验中所用换能器的结构 。其前后金属 盖板均为硬铝 ,前盖板喇叭形部分长度为 31. 8 nm , 其小端直径为 50 mm ,大端直径为 78. 2 mm ;喇 叭形部分前端的圆柱形部分长为 18. 7 mm ;后盖板
图 2 换能器的位移分布
t ric capacity and dynamic elect ric capacity increase first and t hen tend towards stability when t he p rest ress achieves
certain value. Dynamic inductance hardly varies wit h t he p rest ress and remains co nstant .
第 1 期
燕文琴等 :低温共烧陶瓷埋置电感和电容的研究
105
电容量基本满足
Ceff
=
(n-
1)ε0εr S
t
(4)
式中 n 为电容极板数 。
图 12 不同 f 下电容的 Ceff2S 及 Ceff2t 关系曲线
4. 3 实物测试结果 图 13 为电容样品的实测结果 。测试结果与仿
图 13 不同层数极板电容随频率的变化
参考文献 :
[ 1 ] HORN G T S , PEN G K C , J AU J K , et al. S2parame2 ter fo rmulation of quality factor for a spiral inducto r in generalized two2port configuration [ J ] . IEEE Radio Frequency Integrated Circuit s Sympo sium , 2003 , 51 (11) :2 19722 202.
参考文献 :
[ 1 ] 颜忠余 ,林仲茂. 夹心压电换能器的优化设计2分析各 参数对换能器性能的影响 [J ] . 声学学报 ,1995 ,20 (1) :
18225 .
(下转第 105 页)
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 6 C0 、C1 、L1 分别随 F 变化的曲线
4 结束语
本文通过实验测试 ,研究了换能器性能参数与 预应力的关系 ,即随着预应力的增加 ,共振频率 、反 共振频率 、静态电容和动态电容先增大 ,当预应力达 到一定值后不再随预应力变化 ,趋于稳定值 ;电感几 乎不随预应力的变化而变化 ,始终保持为一定值 。 对本文中给定的换能器 ,性能参数稳定时对应装配 期间所施加的最佳预应力是 90 N ·m 。
3 换能器性能参数随预应力的变化关系
3. 1 频率与预应力的关系 图 4 为 f a2 F 曲线 。由图可看出 ,当 F = 15 ～
60 N ·m时 , f a 随 F 的增加而增大 ;当 F 达 60 N · m 后 ,随 F 的增加 ,换能器的 f a 变化较小 ; 当 F 达 到 90 N ·m 后 ,随 F 的增加 ,换能器的 f a 基本不再 变化 ,而最终稳定在 18. 4 k Hz 。
第 1 期
李 军等 :压电换能器性能参数与预应力关系的实验研究
101
2 换能器的性能参数及等效电路测试
在实验中 ,将换能器固定在夹具上 ,用 TLB 型 扭矩扳手 (该扳手上带有扭矩指示针 ,可读出扭矩的 大小) 施加装配预应力 F ,然后用 H P 4192A 型阻抗 分析仪测试换能器的共振频率 f a 、反共振频率 f r 和等效电路中的有关参数 ,如图 3 所示 ,图中 L1 、 C1 、R1 分别为换能器动态电感 、动态电容 、动态电 阻 , C0 为换能器静态电容 ,具体数据如表 1 所示 。
功率超声领域 ,它得到了广泛的应用 。它的性能主
要受换能器的结构 、材料参数和装配时所施加的预
应力的影响 。组件相同的换能器 ,施加的预应力大
小不同 ,则换能器性能也会有所不同 。换能器的结
构 、材料参数对换能器的性能影响已有了大量 、深入
的研究[122] ,而关于预应力对换能器性能影响的研究
则较少 ,文献 [ 327 ] 主要讨论了换能器的预应力控 制 ,但都未能涉及预应力对换能器性能参数的影响 。 本文针对常用的夹心压电换能器 ,通过实验测试较 全面地研究了预应力大小对换能器性能参数的影
图 4 f a2 F 曲线
图 5 为 f r2 F 曲线 。由图可看出 , f r 的变化规
律与 f a 基本相同 。当 F 达 90 N ·m 后 , f r 最终稳 定在 19. 27 k Hz 。
图 5 f r2 F 曲线
3. 2 等效电路参数值与 F 的关系 图 6 为 C0 、C1 、L 1 分别随 F 变化的曲线 。由图
Key words :p rest ress ; piezoelect ric t ransducer ; performance parameter
夹心式纵向振动压电换能器具有结构坚固 、制 为圆柱形 ,其长为 60 mm ,直径 50 mm ;压电陶瓷
造工艺简单 、功率质量比大 、电声效率高等优点 。在 片为 PZT28 ,厚为 12. 6 mm ,直径为 50 mm 。
收稿日期 :2006211214 基金项目 :陕西省自然科学基金项目 (2007A07) ;陕西师范大学研究生创新基金资助项目 (2007CXS024) 作者简介 :李军 (19812) ,男 , 山西长治人 , 硕士生 ,研究方向为超声工程及换能器设计 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net