薄球壳压电换能器设计与制作

介绍一种采用径向极化空气背衬压电薄球壳作为声敏感元件的球形换能器。首先,对其低频接收灵敏度和谐振频率等声学特性进行理论分析和有限元仿真;其次,根据分析和仿真结果,采用硫化工艺制作一只球形换能器;最后,对换能器的声学性能进行测试。结果表明,制作的球形换能器低频接收灵敏度为-203.7 dB,80 kHz以内起伏小于±2.5 dB;最大发送电压响应可达147.6 dB。该球形换能器可作为宽带接收水听器和全向发射声源使用。     

有限元法分析1-3型压电复合材料换能器

1-3型压电复合材料圆柱型换能器由薄片状1-3型压电复合材料沿金属薄壁圆管周期排列粘贴而成。根据换能器实际结构和1-3型压电复合材料等效参数模型,利用有限元法在ANSYS中分别建立了两种仿真模型。为验证等效参数模型的可靠性,实验通过改变模型结构尺寸,使换能器内半径从20mm变化到50mm,每5mm作为一个数据点进行建模。仿真计算相同结构尺寸下两种模型的径向振动频率,比较显示两种模型仿真结果接近,平均相对误差仅2.3%。因此,可利用模型II代替模型I对1-3型压电复合材料圆柱型换能器进行仿真分析,从而简化建模和计算。在此基础上,利用模型II分别模拟了该种换能器在空气和水中径向振动频率附近的导纳、发射电压响应和接收电压灵敏度等性能。     

背衬对压电传感器瞬态特性影响的模拟研究

接收信号在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,提高其接收性能的关键是优化换能器背衬结构与材料参数.该文采用Ansys软件中力-电耦合瞬态模拟法,分析了背衬结构的几何参数、材料参数对压电直探头瞬态接收性能的影响,得到了压电换能器中不同时刻的弹性波场、电场分布及输出电压响应曲线,拟合了换能器灵敏度、分辨率与背衬结构几何、材料参数间的关系.研究结果表明,合理选择背衬结构与材料参数对消减接收信号的多次反射,提高换能器接收性能有明显的作用.运用有限元软件分析背衬结构对压电探头瞬态接收特性的影响,是优化背衬结构与材料参数重要方法之一.     

圆柱形深水压电检波器的设计与实现

该文设计研制了一种能耐20MPa静水压的压电陶瓷圆管检波器。首先利用理论分析与有限元仿真相结合的方法,对压电检波器的谐振频率、接收灵敏度及耐压性能进行了分析计算与对比验证,进而研制样机,并采用密闭腔比较法和耦合腔互易法测试了样机在常压和20 MPa静水压下的接收灵敏度。结果表明,该压电陶瓷圆管检波器在常压条件下的低频接收灵敏度为(-201．9±0．5)dB,测试频段为1Hz~2kHz;在20MPa加压条件下的低频接收灵敏度为(-197．7±0．4)dB,测试频段为20Hz~1kHz。该文研制的压电检波器满足目前海洋深部地震勘探的接收灵敏度及工作频段要求,对深水地震勘探仪器的研制具有重要意义。     

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。     

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。     

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。     

一种甚低频PVDF压电内贴复合圆管水听器的研究＊

一种新型PVDF压电内贴复合圆管水听器巳研制成功。它具有耐高静水压、灵敏度高及加速度响应低等优点,宜在水下拖曳线阵中使用。文中提出的理论公式与实验数据相符。     

用于矢量水听器的压电单晶面剪切模式加速度计设计

面剪切振动模式产生于[011]极化方向zxt-45°切型的压电单晶,因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点,故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择,在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理,推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型,研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律,优化结构尺寸,最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g,工作频带为20 Hz~3 kHz,横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明,与传统的剪切式加速度计相比,所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时,电压灵敏度提高了11.6%,这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。     

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。     

压电智能复合材料层板冲击压电响应仿真分析

基于1阶剪切变形理论,采用有限单元方法,建立了压电智能复合材料层板有限元模型,采用低速冲击对其压电传感器的瞬态响应进行了仿真分析.结果表明,各压电传感器响应信号特征与各传感器的布置位置、冲击荷载位置及层板的边界条件等因素有关.综合分析各传感器响应信号并进行特征提取,可建立传感器响应与冲击位置间的非线性关系,从而实现结构加载损伤位置的自诊断.     

压电马达用压电陶瓷的研究

采用传统的电子陶瓷工艺制备了高性能四元系压电陶瓷 (PZN- PMS- PZT- r Mn O2 )。考察了不同剂量的锰掺杂对压电陶瓷的介电性能和压电性能的影响 ,即室温介电常数 ε、介电损耗 tanδ、居里温度 Tc、机电耦合系数 kp、压电常数 d33和机械品质因数 Qm。随着 Mn含量的增加 ,ε和 tanδ均减小 ;由于内偏置场的影响 ,居里温度 Tc随锰含量的增加而增加。kp 和 d33随 Mn含量的增加而减小 ;而 Qm 表现出较复杂的变化规律 ,随 Mn含量的增加 Qm先增加 ,当 r=0 .2 %时 ,达到最大值 10 0 0 ,当 r>0 .2 %时 ,Qm 下降。实验结果表明 :当 r=0 .2 %的锰掺杂压电陶瓷比较适合制作压电马达 ,其压电性能为 ε=12 0 0、tanδ=0 .0 0 4、Tc=349°C、kp=0 .6 0、d33=380 p C/ N和 Qm=10 0 0     

在压电谐振基波附近的压电应变研究

本文根据PZT压电陶瓷的压电与弹性特性,应用谐振理论对其压电基波频率附近的压电位移作了计算;另一方面,采用一种高频激光双束干涉仪,测量了压电位移的位移量。其实测值和理论计算值是一致的。     

开关功率放大器中的压电变压器特性研究

压电陶瓷变压器(PT)具有效率高,体积小,质量轻,升压比高,无电磁干扰,不易燃,安全稳定及不怕短路等优点,适用于压电材料驱动器控制和驱动装置的小型化和集成化。但PT本身的特性与传统的线圈式变压器有很大不同,在使用时要特别注意。以ROSEN型KHMPT3006A45为例,通过实验获得其等效电路模型参数,建立电子线路仿真软件(PSPICE)模型进行仿真,并分析了PT的频率特性和负载特性。最后针对电路设计中使用PT可能出现的一些问题作了分析,并得出了一些有益的结论。     

一种新型压电陶瓷控制器的研究

压电陶瓷的迟滞、非线性和蠕变特性，降低了它的定位精度，且给压电陶瓷微定位系统的控制带来困难。该文提出一种新的智能逻辑规则控制算法，仿真结果表明，与PID控制算法相比，控制器输出不仅超调量小、响应时间快，而且控制器的控制精度可以预先设定并通过直接调节参数而满足，满足了压电陶瓷微定位系统高精度的要求。     

压电薄膜特性参数的测量方法

随着电子元器件向微型、高灵敏、集成等方向发展,薄膜材料及器件在微机电(MEMS)系统中得到广泛应用,而测量压电薄膜特性参数的方法与体材料相比有很大的不同.介绍了当前测量压电薄膜特性参数的两大类方法:直接测量法(包括气腔压力法、悬臂梁法、激光干涉法和激光多普勒振动法)和间接测量法(传统阻抗分析法),详细分析了这些方法的基本原理、测试表征、应用状况及存在的问题,比较了这些方法的优缺点,并对未来压电薄膜特性参数的测试表征作了展望.     

一种由压电双晶片测量压电常数d31的方法

提出了一种新的测量方法 ,由一种实用元件——压电双晶片测量压电材料的压电常数 d31的方法。这种测量方法不同于通常的由标准试样测量压电材料参数的方法。文中给出了测量原理、测量装置及由一种 PZT样本的测量结果 ,并同时给出了 IEEE标准测量方法的结果。理论和实验结果表明 :这种新的测量方法是可行的。     

无铅压电材料NBT-BZT陶瓷压电性能及改性

通过配方试验和性能测试分析研究了(1x)Na1/2Bi1/2TiO3-xBa[ZryTi(1y)]O3(x=0.04,0.06,0.08,0.10,y=0.04,0.045,0.05,0.06)无铅压电陶瓷的压电、介电性能。以及当x=0.06,y=0.045时引入Sn4+对NBT-BZT材料的压电介电性能影响。研究表明:当x=0.06,y=0.045, Sn4+对(Na1/2Bi1/2)2+取代量为0.02时,系统的压电性能参数d33和kt分别达到196 pC/N和0.55,相对介电常数可提高到1 263。     

压电变压器三维温度分布研究

压电变压器工作中存在的热问题严重阻碍了其在高功率方面的发展和应用。文章分别对输入电压峰-峰值为60V,80V,100V压电变压器轮廓振型的三维温度分布进行了有限元分析和实验测量。分析结果为压电变压器散热装置的设计提供参考依据。对比实验结果,仿真结果弥补了实验中因焊点位置、制作工艺等对温度分布带来的影响。     

新型压电驱动机构

介绍了所研制的新型压电流体泵、多自由度压电马达、压电超声减摩机构等新型压电驱动机构的基本原理、试验样机的结构及研究现状。