本期摘要

压电换能器瞬态接收特性的有限元模拟研究 作者：何涛焘 龙士国 刘鹏 李要 单位：湘潭大学材料与光电物理学院．湘潭411105 基金项目：国家自然科学基金项目（10702057）：湖南省自然科学基金项目（09JJ3003） 摘要：接收信号在压电换能器压电层中的多次反射及波形转换对超声检测的灵敏度和分辨率有重要影响,如何优化阻尼结构与材料参数是提高压电换能器接收性能的关键之一。     

发明与专利

一种声表面波无线温度传感器 本实用新型涉及一种声表面波无线温度传感器,包括在压电基片上制作一个具有EWC／SPUDT结构的叉指换能器与11个短路栅结构的反射器,由EWC／SPUDT通过无线天线接收来自于无线读取单元所发射的电磁波信号,并转换成声表面波,在压电基片表面沿个反射器方向传播,并分别由反射器所反射,反射的声波通过EWC／SPUDT2重新转换成电磁波信号,由无线天线传回无线读取单元,并通过信号处理方法,以评价时域响应的相位变化来实现对温度的检测。     

硅微压电超声换能器的设计与制作

介绍了一种用ZnO薄膜作为压电层的硅微压电式超声换能器(PMUT).该硅微压电换能器的振动基膜采用LPCVD制作的氮化硅薄膜和PECVD制作的二氧化硅形成的复合振动膜结构.文中运用有限元方法对该硅微压电换能器的结构进行了模拟和计算,并进行了预应力对硅微换能器共振频率的影响的分析.实验测得硅微压电式换能器的共振频率为71.36 kHz.本文还使用该硅微超声换能器在油中进行了初步的共振频率点收发信号的实验,接收实验测得信号峰峰值为9 mV左右,发射实验标准水听器接收信号峰峰值为0.8 mV左右.     

压电传感器冲击滞后响应时间测量与分析

压电传感器作为机电换能器使用时响应迅速,使用冲击设备和测量系统对其进行了瞬态冲击滞后响应时间测量和分析.从传感器二阶系统的动态响应、应力波的传播角度出发,通过对滞后响应时间建模和分析,得到了影响该时间的因素,与传感器的结构参数、冲击激励的脉宽、是否有转接结构及安装力矩的大小有关.当传感器固有频率高、阻尼比小、激励脉宽窄、无转接结构和使用较大的安装力矩时,传感器具有更快的响应速度.     

压电驱动器的电致振动特性研究

旨在分析压电驱动器的电激励振动特性。以双晶压电悬臂梁为对象,基于能量法和热力学平衡方程推导了压电悬臂梁在电压激励下的强迫振动微分方程。利用自行搭建的电激励振动试验系统,测试了不同幅值交流电压激励下压电梁的谐响应和瞬态响应。通过试验验证了理论分析的合理性,讨论了激励电压和阻尼对谐响应和瞬态响应的影响。结果表明：压电悬臂梁的谐响应呈非线性,具有弹簧渐软特性;压电梁的共振频率随激励电压幅值的增大而减小,在6V、9V、12V交流电压激励下,压电梁的共振频率分别为55.6Hz、54.8Hz、54.4Hz;当激励电压频率等于压电梁的固有频率时,其横向振幅达到峰值;当激励电压频率逐渐远离压电梁的固有频率时,其振幅则迅速降低;激励电压频率接近共振频率时梁会发生“拍振”现象;阻尼对压电梁的共振抑振作用最为明显。     

溶液质量分数光电探测系统的性能分析

针对光电探测式溶液质量分数的实验光路,提出了利用多次反射提高系统检测灵敏度的方法。讨论了光路中影响检测灵敏度的各种参数,分析了通过多次反射提高系统检测灵敏度的理论依据。该方法一方面可以加快相同质量分数变化时转角变化,同时因为也等效增加了溶液池深度而增加了系统的响应灵敏度。搭建了基于该方法的系统,并针对不同质量分数的NaCl溶液质量分数进行检测。实验结果表明:该系统可以检测溶液质量分数的微小变化。该方法的优点在于经过多次反射放大了检测灵敏度,可以实现系统的小型化设计。     

压电换能器谐振频率动态检测的研究

超声波换能器串联谐振频率的检测和研究都是基于静态分析,因而存在无法对实际应用电路进行动态参数的识别和实时跟踪的缺点.基于压电换能器的等效电路,结合导纳圆分析,提出了一种检测换能器谐振频率和相关参数的方法.该方法对超声波电源实现自动识别、跟踪以及动态匹配压电换能器谐振频率等具有非常重要的参考作用.动态检测结果表明,该方法可以较好地检测出压电换能器的谐振频率.     

磁致/压电/磁致层合材料磁电响应分析

对沿长度方向振动(LT模式)的磁致/压电/磁致(MPM)层合材料的磁电响应进行了理论分析,其中磁致层沿长度方向磁化,压电层沿厚度方向极化.从压电效应和压磁效应本构方程出发,结合材料的机械运动学方程和电路状态方程,重新推导了LT模式下MPM结构的等效电路,完善了文献中的方法,得到了复合材料的磁电电压系数、开路电流、材料内阻、可供电功率与压电、磁致材料各物理参数以及体积参数之间的关系式.以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为例,对材料磁电响应进行了数值计算,将计算结果与相关实验结果进行了比较.利用磁电响应仿真结果,对磁电层合材料用于磁敏传感器以及自供电换能器进行了讨论.     

压电换能器耗散因子的等效电路参数表示

压电换能器的耗散因子是评估其性能的重要参数,但已有的测量方法实现困难。文中提出一种通过压电等效电路参数来获得压电材料的三种耗散因子（介电耗散因子、弹性耗散因子和压电耗散因子）的方法。通过首先建立引入复电弹常数后的压电等效电路,推导了由复电弹常数的实部和虚部描述的等效电路参数。根据耗散因子的定义,推导了耗散因子同等效电路参数间的关系。通过测量等效电路参数得到了PZT压电陶瓷耗散因子的温度及应力响应特性曲线。     

声表面波器件的反射特性及性能

为了准确分析反射型声表面波器件参数对其性能的影响,基于耦合模理论和P矩阵方法建立了器件的耦合模模型,分析得到器件的电反射特性即反射系数S11曲线,并在128°Y-X LiNbO3压电基片试制了频率为90 MHz的多种参数的器件,分析与测试结果表明:单个叉指换能器器件的S11中心频率为91.26 MHz,幅值为-20.58 dB,与理论分析结果91.44 MHz和-19.21 dB相近;带有反射栅的器件比单个叉指换能器件在中心频率处S11幅值增大约8.5 dB,谐振峰增多,时域曲线有明显的反射峰信号,验证了反射栅的反射特性;叉指换能器叉指对数减小使器件中心频率处的S11幅值减小,时域中的回波信号更尖锐,信噪比明显增大,表明对数较多的IDT具有较强的反射特性,对回波信号干扰较大,过小的叉指对数对器件声电转换效率影响很大,会使器件性能下降;较大的反射栅指条数对回波信号影响不大,但过小的指条数会降低反射栅反射系数,使得回波信号信噪比减小,纹波增多.     

Power consumption analysis of surface acoustic wave sensor systems using ANSYS and PSPICE

The power consumption of a surface acoustic wave (SAW) sensor system was investigated using ANSYS and PSPICE. Simulation results show that several design parameters of the surface acoustic wave sensor, such as the center distance between two interdigital transducers (IDT), the thickness of the piezoelectric substrate, the finger space of the IDT, etc., can greatly affect the power consumption of the whole system. The results of this study will be helpful to optimum design and fabricate the SAW sensor systems with very low-power consumption.     

基于SAW器件的微间隙压力监测传感器

声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件能进行无源无线通信,为微间隙等特殊环境下物理量的测量提供了新的解决思路.研究设计了一种基于声表面波延迟线的接触应力传感器.围绕微间隙环境,研究了声表面波器件的结构类型,并确定压力监测的技术方案;根据设计原理,设计一种新型声表面波传感器,并利用有限元分析法对压电基片进行应力仿真;将设计出的传感器进行实验测试并提出温度补偿.通过对声表面波传感器设计的探究,验证了利用声表面波传感器实现微间隙压力监测的可行性.     

Design of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) for high pressure output

A novel design of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) with a fully free edge structure by introducing a deep trench between cells was proposed, and its performance was evaluated by finite element method in both time and frequency domains for the resonant frequency and acoustic pressure output. In comparison to current cell configurations of clamped and simply suspended boundaries, our design has a great increase in the output pressure. The effect of the covering area of piezoelectric material (i.e., AlN) was also investigated. It is found that when the piezoelectric layer has the same size as the cavity the generated acoustic pressure will reach its maximum value. Altogether, the newly designed structure of pMUTs has the potentials of high pressure applications (i.e., ultrasound therapy) if driven properly.

     

Design of piezocomposite materials and piezoelectric transducers using topology optimization— Part III

Summary Following the topic introduced in [1, 2] this paper discusses the design of piezoelectric transducers used in applications such as acoustic wave generation and resonators. These applications require goals in the transducer design such as high electromechanical energy conversion for a certain transducer vibration mode and narrowband or broadband response. The development of these devices has been based on the use of simple analytical models, test of prototypes, and analysis by the finite element method. However, in all cases the design is limited to a parametric optimization where only some dimensions of a chosen transducer configuration are optimized. By changing the topology of these devices or their components, we may obtain devices with better performance since the design space of solutions is enlarged. Based on this idea, we have proposed the use of topology optimization for designing these devices. This method consists of finding the distribution of the material and void phases in the design domain that optimizes a defined objective function. The optimized solution is obtained using Sequential Linear Programming (SLP). Considering acoustic wave generation and resonator applications, three kinds of objective functions were defined: maximize the energy conversion for a specific mode or a set of modes; design a transducer with specified frequencies; and design a transducer with narrowband or broadband response. Although only two-dimensional plane strain transducer topologies have been considered in order to illustrate the implementation of the method, it can be extended to three-dimensional topologies. Transducer designs were obtained that conform to the desired design requirements and have better performance characteristics than other common designs.     

超声波液体密度测量的一种声反射系数测定方法

用超声波测液体密度时,测量声反射系数是重点.提出一种将半波层反射模型简化后,利用相对稳态幅度测量声压反射系数的方法.将一个较薄固体作为半波层置于被测液体中,两侧对称地放置超声波换能器,换能器一个工作在脉冲回波模式,另一个工作在接收模式.调整信号频率使半波层和被测液体交界面的多重反射波达到最大程度干涉,此时被测液体与半波层之间的声反射系数只与两个换能器在稳态下的回波信号幅度比值有关.因此测得换能器的稳态回波信号幅度比,即可得到声反射系数.此方法简化了原来的半波层反射模型,采取对称布局,利用相对稳态幅度法,简化了理论推导过程,降低了测量上的精度要求.最后文章通过实验验证了方法的正确性.     

基于压电晶体传感器的椭圆损伤定位算法

压电晶体传感器作为激励部件可以在结构中产生高频弹性应力波,其同裂纹等局部损伤发生相互作用将产生波动的能量耗散、波形反射以及波形干涉等现象.利用附在金属板上的压电激励器在结构产生的高频弹性应力波,并通过嵌入或附着在结构中的压电传感器进行接收,提出了一种基于TDOA模型的椭圆损伤定位算法.利用该算法可以获得损伤部位坐标的显式表达式,并能够对损伤区域的大小做出估计.仿真计算结果和实验证明该算法能够提供实时的"主动"损伤检测手段,同时可以准确快速地对结构中可能存在的损伤进行定位.     

OPCM AE传感器特性的理论仿真与实验研究

基于均匀场和细观力学理论,对应用于结构损伤声发射(AE)检测的1-1型压电复合材料(OPCM)AE传感器,建立了它的等效力电模型,在此基础上,推出了其等效力、电参数,通过这些参数的对比,发现OPCM具有明显的正交异性的特性;同时,应用有限元仿真计算,得到了在x和z两方向上传感器受到单向应力波荷载作用时,电极面输出的电压存在明显差异;所设计的实验表明:OPCM能够区分出不同方向的应力波,并对特殊方向上的应力波具有强烈的响应,再次证实了OPCM传感器的正交异性特性。     

一种新的材料微结构电磁场效应数值模拟方法

为了定量揭示材料微结构与入射电磁波引起的材料内电磁场效应之间的内在关联性,借助可以表征能量流动方向和大小的Poynting矢量,通过程序设计结合有限元数值模拟的方法实现了材料微结构电磁场效应的计算。建立了材料微结构电磁场效应数值分析有限元模型。在数值计算中,将Poynting矢量正交分解为三个不同方向分量,计算了材料微结构的吸收、透射和波源方向反射效应;根据Poynting矢量在反射方向的分量,计算了任意反射方向的反射效应。研究方法对任意微结构均具有适用性。     

Microfabricated Lamb wave device based on PZT sol-gel thin film formechanical transport of solid particles and liquids

The fabrication using silicon micromachining and characterization of an acoustic Lamb wave actuator is presented. The intended use of the device is for mass transport and sensor applications. The device consists of dual interdigitated transducers patterned on a thin-film composite membrane of silicon nitride, platinum, and a sol-gel-derived piezoelectric ceramic (PZT) thin film. The acoustic properties of the device are presented along with preliminary applications to mechanical transport and liquid delivery systems. Improved acoustic signals and improved mass transport are achieved with PZT over present Lamb wave devices utilizing ZnO or AlN as the piezoelectric transducer     

一种高频宽带水声换能器的研制

研制了一种宽带、高频压电复合材料圆环阵水声换能器.该换能器的宽带结果是通过采用降低压电材料机械品质因数Qm值和多模耦合振动两种方法实现的.通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环,再将不同壁厚的压电复合材料圆环轴向叠堆而成敏感元件,对敏感元件进行模具封装,引出电极引线,得到换能器.利用ANSYS软件对结构进行仿真,得到敏感元件谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件的最优设计方案.将由最优参数得到的两个压电复合材料圆环轴向叠堆,制作了双圆环叠堆复合材料换能器.经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,该换能器谐振频率为375 kHz,其-3 dBd工作带宽为90 kHz,最大发送电压响应达148 dB.实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标.