声加速度计

本文讨论了近年来研究的一些声加速度计的特性。这些加速度计采用压电晶体和微型机械悬臂梁作为谐振元件,而悬臂梁内含压电电容器,压阻电路,或声表面波振荡器。另一些加速度计采用一种具有闭环伺服电子线路的力再平衡技术。加速度计的灵敏度受重量和频率响应的限制,电压型加速度计灵敏度可达300mV/g,SAW加速度计可达10000Hz/g。动态范围达10~7,频率比例系数稳定性达10~(-3)ppm时,加速度计的测量范围为10μg—200000g。加速度计可以是分离的、混合集成的或整体的。     

压电圆管水听器灵敏度的温度稳定性研究

针对水听器的温度稳定性问题,该文研究了一种压电圆管水听器在环境温度变化时灵敏度的变化规律。通过圆管水听器在低频时自由场电压接收灵敏度计算公式,分析了温度对水听器的主要影响因素,并基于热力学理论分析计算了水听器灵敏度随温度的变化规律。实测了一种圆柱形压电陶瓷的电容随温度的变化,以及该压电陶瓷在不同包覆材料下的电容和灵敏度随温度的变化情况,并比较分析了其与理论值的差异。结果表明,水听器灵敏度与温度负相关,水听器电容与温度正相关,与理论分析一致。理论值与实际测量值的差异主要是由水听器表面包覆材料本身热膨胀特性及其声阻抗的温度特性导致。     

空气背衬压电圆管和压电球壳耐压性能研究

为了解决大深度水听器的耐压问题,对空气背衬压电圆管和压电球壳换能器的强度与稳定性失效进行了理论计算,并使用有限元仿真软件对其进行结构静力仿真和特征值屈曲仿真。计算和仿真结果表明,空气背衬压电圆管和压电球壳自身具有相当的耐压性能,可以用于制作耐压3 km以上的大深度水听器。随后制作了1个直径?30 mm、厚3 mm的压电球壳水听器,并通过了30 MPa耐压测试。最后采用有限元仿真法研究了高静水压对压电圆管和压电球壳换能器灵敏度的影响。仿真结果显示,高静水压会导致压电圆管和压电球壳换能器灵敏度损失,且静水压越高,灵敏度损失越快。     

0-3型压电复合材料圆柱形水听器

使用0-3型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料研制出一种圆柱形水听器,对水听器的结构、材料以及灵敏度进行了理论分析,测量了水听器样品灵敏度随频率的变化曲线。研究结果表明,利用0-3型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料可制作出灵敏度高达-202.3 dB ref.1V/μPa的水听器,静态电容量较大,制作工艺简单,实际测量值和理论计算值很相近。     

悬臂梁能量回收装置压电片位置与尺寸优化研究

研究了悬臂梁式压电振动能量回收装置压电片贴片位置和尺寸优化问题。首先分析推导出了应变方程、开路电压方程和压电能量方程,然后提出了运用开路电压和压电能量方程得到压电片的最优贴片位置和最优尺寸的优化方法,最后运用提出的优化方法通过理论计算得到了一、二阶模态下压电片最优贴片位置及最优尺寸,并运用abaqus软件进行了仿真分析。结果表明,理论计算与仿真分析结果基本吻合,一、二阶模态下压电片最优位置分别为梁的根部和中部,最优尺寸均约为梁长的一半。说明提出的压电片位置和尺寸优化方法是正确有效的。     

具有中性浮力的水下压电加速度计的研究

具有中性浮力的水下压电加速度计采用沿径向弯曲振动的压电陶瓷圆片作为敏感元件，它由粘接在一金属圆盘基座上的两片压电陶瓷圆片组成核心元件，用金属外壳实现边界支撑，外部由低密度复合材料包敷从而呈中性浮力。这种加速度计可直接测得水下声场中水质点的振动加速度。作者研制的加速度计高0．028m、直径φ0．074m、总质量0．12kg、密度990kg／m^3，其电压灵敏度为-24dB(0dB-1V／g)t电容量为2.4nF，谐振频率13kHz，工作频带20～5000Hz。     

瓷砖装饰用压电喷墨打印头关键技术研究

压电喷墨技术是一种广泛应用于工业数字印刷领域的喷墨打印技术。根据压电陶瓷变形模式不同,压电喷墨可分为挤压式、弯曲式、推动式和剪切式4种驱动原理。该文介绍了4种压电喷墨原理及相关研究方法。有限元分析和流体动力学计算可模拟墨滴生成与飞行的过程,便于研究喷头电学参数和几何尺寸对喷墨性能的影响。并讨论了喷墨打印头的压电元件、喷嘴板等材料优化,以及压电喷墨头研究进展及未来展望。     

一种压电单晶矢量水听器的性能建模与分析

针对加速度型矢量水听器在低频段灵敏度偏低问题,根据铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)压电单晶的性能特点,设计了一种双悬臂梁结构压电单晶矢量水听器。建立了有限元模型,对矢量水听器的振动模态和接收性能进行了仿真计算,重点分析了几个主要材料和尺寸参数对水听器自由场灵敏度的影响。理论计算表明,采用压电单晶PZN-PT的矢量水听器经优化后其灵敏度可达-190 dB@250 Hz,与压电陶瓷PZT-5A的水听器相比,灵敏度提升了15 dB以上。     

专利文摘

<正> 采用两个夹心式复合压电陶瓷材料的圆片,设计安装的水听器结构简单、工艺容易。水听器的接收电压灵敏度为-196dB(0dB=1V/μPa)水听器的频带50Hz～200kHz,灵敏度起伏±1.5dB,水听器在200kHz以下无水平     

基于Al0.8Sc0.2N压电薄膜MEMS声波器件的研制

该文介绍了一种由5×5个半径为200 μm圆形阵列组成,应用于水听器的高性能压电微机电系统(MEMS)声波器件,尺寸为3 mm×3 mm。采用钪掺杂(质量分数为20%)增强了AlN薄膜的压电系数,并通过双电极结构配置及优化结构尺寸来增强声压作用下的电信号输出,以实现压电MEMS声波器件具有更好的接收灵敏度。声波器件在空气中的接收灵敏度为-166.8 dB(Ref.1 V/μPa),比相同结构基于AlN薄膜的声波器件约高2.6 dB。在50 Hz~3 kHz带宽范围内,器件灵敏度曲线变化小于1.5 dB,具有平坦的声学响应。结果表明,基于Al_0.8Sc_0.2N薄膜的压电MEMS声波器件具有更高的接收灵敏度,经水密封装制成的水听器可应用于管道泄漏探测及海洋噪声监测等工程中。     

剪切式压电喷头多致动壁结构制备及特性分析

剪切式压电喷头多致动壁结构是压电喷头的核心部件,针对国外在这一领域的长期垄断,通过对致动壁的特性分析,设计了剪切式压电喷头多致动壁结构,并探索出一种改进的制备工艺。通过极化、切割、二次极化、镀电极和焊线工艺,制备出长、宽、高分别为9.5mm、70μm、400μm的致动壁和液体腔。在有限元分析软件COMSOL下构建致动壁结构仿真模型并进行测试实验。结果显示,壁间电压在0～60V内,致动壁振动位移与其施加电压大小呈近似线性关系,仿真与实验与结果平均偏差约为4nm,最大偏差6.4nm,两者吻合度达87%,符合喷墨要求,为剪切式喷头的研制提供了应用可行性。     

PVDF传感器在液体压力激波测试中的应用

针对液体压力激波具有高温、高压和高应变的特点,研制了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的液体压力激波传感器,并通过霍普金斯(Hopkinson)压杆对压电传感器的压电系数进行了精确标定,在此基础上构建了液体压力激波测试系统.在小压力幅值下,与水听器进行了对比测试试验,测试结果具有很高的吻合性,在满量程(0.1～1.0 MPa)内,与水听器偏差在5%范围内;大压力幅值下,通过对单元和多阵元液体压力激波发生器系统的测试,掌握了激励电压、脉冲频率、阵元个数等对激波的影响规律,为液体压力激波加工系统的改进和工程应用提供了试验依据.     

一种基于梯形压电悬臂梁的能量采集器研究

提出了一种基于d33模式的梯形压电悬臂梁式能量采集器.采用梯形悬臂梁结构能提高能量采集器的平均应力和降低其最大应力,增加其输出电压和使用寿命;同时由于压电材料的d33系数一般是d31系数的2～3倍,利用d33模式同样能提高能量采集器的输出电压.分析和制备了同尺寸的d31模式和d33模式两种能量采集器,并进行测试.实验结果表明,d33模式能量采集器的输出电压约是d31模式的2倍,具有较高输出电压,与有限元分析结果基本一致.     

一种基于共振腔的新型水听器探究

提出了一种基于共振空气腔的高灵敏、低成本水听器。该水听器为密封的中空球形腔体,内部放置麦克风来感知从水耦合进来的声音。通过有限元仿真预测了水听器的频率响应,并证实频响曲线的特征峰依赖于空气腔共振模态、与球壳共振无关,因此,该水听器的频响特性只取决于内部空气腔尺寸。实验结果表明,该水听器的频率响应与仿真结果符合,与传统压电水听器相比其灵敏度有所提高,在共振频率处的接收灵敏度比传统压电水听器高10倍。     

MEMS压电式矢量水听器仿真与结构优化

针对微机电系统(MEMS)矢量水听器灵敏度低的问题,该文主要采用有限元频域分析法对一种新型结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真与结构优化。对于一种新型具有U形槽悬臂梁结构的加速度灵敏度随压电层厚度或频率的变化进行了研究,优化了结构参数,提高了灵敏度。结果表明,当硅梁厚为16 μm,压电层厚为硅梁的51%时,可使结构的加速度灵敏度达最大。与单臂悬臂梁结构相比,双U形槽结构的加速度灵敏度及相应的矢量水听器灵敏度提高了11 dB。     

0-3型压电复合材料切向极化圆柱形水听器

利用0—3型PZT/P(VDF-TFE)压电复合材料设计制作了切向极化圆柱形水听器,并对水听器的灵敏度进行了理论分析,通过对样机的测试,灵敏度与理论计算值接近。理论研究和实验结果表明,使用0—3型压电复合材料可以研制出高灵敏度[–190.2dB(ref.1V/μPa)],的切向极化圆柱形水听器,而且制作工艺简单。     

MEMS仿生矢量水听器的微结构优化设计

压阻式的MEMS仿生矢量水听器的固有频率和灵敏度之间是相互制约的,即随微结构的各个尺寸(悬臂梁的长、宽、高及中心连接体的边长)的变化,二者呈现相反的趋势。通过理论分析和推导,得出每个尺寸对水听器固有频率和灵敏度的影响程度不一致,可以合理地设计微结构的各个尺寸(最优解),使矢量水听器在具有相同固有频率条件下得到最大灵敏度。根据常用的微结构,通过Matlab软件计算出了微结构的一组最优解。通过ANSYS软件仿真验证,与常用的微结构相比,该微结构固有频率下降了7%,而灵敏度提高了1倍。最后,测试结果表明:两组尺寸的水听器频带范围为20~1 000 Hz,并且尺寸优化后的水听器比优化前的灵敏度平均高5 dB。     

多次压电效应对压电力传感器静态特性的影响

采用两片由压电系数d11转换的xy切型压电石英晶片构成单元晶组,研究了多次压电效应对压电传感器的影响,通过与传感器并联电容的方法使其不发生多次压电效应,得出了多次压电效应对传感器静态灵敏度的影响,实验结果表明,在0.1μF的并联电容下,传感器的灵敏度从4.00 pC/N增大到4.07 pC/N,提高了1.75%,进一步分析表明,传感器灵敏度发生变化的实质是多次压电效应影响了压电系数,同时探讨了灵敏度提高后多次压电效应对弹性系数以及传感器刚度和固有频率的影响.多次压电效应的研究为压电类传感器性能的提高提供了一种新方法.     

压电三迭片式高阶声压梯度水听器研究

该文从数学上计算了不同阶声压梯度组合对空间声场的估计误差,分析了差分通道幅度和相位不一致性对有限差分近似误差的影响,研究了水听器自噪声及模数转换量化误差对高阶水听器工作频率下限的制约关系,提出了一种由4片压电三迭片构成的高阶声压梯度水听器,尺寸为?100 mm×50 mm,能够测量声场一阶声压梯度和二阶混合声压梯度。利用有限元法计算获得平面波自由声场中水听器各通道的输出电压。计算结果表明,二阶混合声压梯度通道的输出电压响应每倍频程升高12 dB,指向性与纵向四极子声源指向性一致。     

基于无铅压电陶瓷谐振传感器的振动耦合分析

针对0.8NBT-0.2KBT无铅压电陶瓷应用于谐振式传感器,研究其薄方片振子厚度伸缩振动与其他振动的耦合情况,通过计算关键技术参数分析其在微天平传感器上的应用性。确定峰形激发最高、耦合最小的压电振子长厚比为9.5∶1,与同尺寸石英晶体微天平(QCM)相比,该谐振体应用于传感器理论灵敏度降低70.1%,理论有效测量范围提高129%。