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.     

压电换能器电端匹配电路的优化

压电换能器长时间、大功率工作时,其各种电参数会随环境因素,特别是自身温度变化而改变,这种变化直接影响电声转换效率.本研究在分析压电超声换能器电感电容匹配电路原理的基础上,按照各项性能参数改变对电端匹配电路的影响规律,提出在一定变化范围内该匹配电路参数的优化方法.     

几种超声位移检测用电容换能器的设计

介绍了3种用于检测超声波与声振动位移信号的电容换能器,可较灵敏地测试宽声带发射瞬态信号,具有简易的结构,尤其适合在实验室条件下对试样作测试。     

用于压电换能器的频率跟踪驱动电路设计

针对新的压电换能器损耗模型理论,设计并实现了跟踪最佳驱动频率的驱动电路。通过测量验证了最佳频率工作点的存在;利用LC滤波电路克服了电流振荡波形引起的干扰;对换能器进行阻抗匹配设计;通过数字锁相电路,结合FPGA多线程工作模式,实现了最佳频率跟踪。实验结果,在新的频率跟踪系统下,换能器的发热量降低为原来的一半,相较于定频系统运行更加稳定。     

水声换能器功放与匹配电路的设计与实现

是针对20 k~30 k频段的水声换能器设计D类功率放大器和匹配电路,PWM电路相对线性电路具有效率高、尺寸小等优点,所以D类功放一般选用PWM调制,D类功放由三角波发生器、比较器、功率管以及保护模块组成,实现高效率、低失真的功率放大。D类功放的输出一般都要通过一个低通滤波器来滤除高频信号,来还原低频信号。由于水声换能器是容性负载,会产生很大的无功功率,因此需要设计匹配电路,匹配包括调谐和阻抗匹配。匹配电路的加入能大大减少水声换能器的无功功率,进而提高功放的效率,使水声换能器在工作频段内能稳定工作。     

基于横向场激励的高频压电超声换能器

介绍了一种基于横向场激励模式的高频压电超声换能器及其设计、分析和制作过程。采用扩展的Christoffel-Bech-mann方法对LiNbO3、LiTaO3和PMN-33PT三种不同压电材料的a模式横向场压电耦合系数进行了计算,发现这三种材料中LiNbO3具有最大的LFE a模式压电耦合系数,为28%。采用具有最大压电耦合系数的X切LiNbO3设计并制作了基于横向场激励的高频超声换能器,并采用传统的Pulse-Echo方法测试了该超声换能器的中心频率和带宽。实验测得该LFE高频超声换能器的中心频率为34MHz,-6dB带宽为14.4%。从理论和实验上证明了横向场激励模式可以应用于高频超声换能器。     

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.     

双晶悬臂梁式压电换能器建模与结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电发电效率的问题,通过对压电换能器进行力学分析并建立了一个电路等效模型,从而得到了悬臂梁谐振角振频率和输出功率的计算公式。通过代入数值进行计算仿真得出结构参数对输出功率的影响的曲线。通过分析得出:在设计悬臂梁的结构参数时尽量在结构强度允许的条件下选择更重的附加质量块,电极长度和梁的长度比值为0.8,压电陶瓷和金属层厚度比为0.25,能提高换能效率等结论。     

压电换能器瞬态接收特性的有限元模拟研究

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。本文用ANSYS有限元软件中的力-电耦合瞬态模拟方法,研究了压电直探头中阻尼结构的几何尺寸及声阻抗对其瞬态响应的影响,得到了压电换能器中不同时刻的弹性波场、电场分布以及输出电压响应曲线,揭示了换能器瞬态响应产生的多次反射波对其检测灵敏度和分辨率的影响。研究结果表明：通过改进的阻尼结构与材料参数对消减接收信号的多次反射,缩短余振时间具有明显的作用,也可以大大降低换能器的研发周期和成本。     

用于超声波激发与检测的电容声换能器

介绍了一种用于激发与检测超声波的电容式换能器,并详细论述了这种非接触换能器的原理。将电介质薄膜置于试样与换能器之间,即提高了发射与接收效率,同时又保持了它的非接触特点。     

纵向导波磁致伸缩传感器信号检测的实验研究

阐述了纵向导波磁致伸缩传感器应用于钢管无损检测中的基本原理.对纵向导波磁致伸缩传感器激励导波和导波的信号检测进行了实验分析,利用磁致伸缩导波无损检测系统在管径为Φ38 mm的完整钢管激励不同频率导波,选择频散特性不明显的激励频率应用于缺陷管道检测,检测信号较好的反应出不同尺寸缺陷.该实验结论和数值计算结果相吻合.     

测量锅炉送粉管内煤粉浓度的电容传感器

介绍一种用于测量锅炉送粉管内煤粉浓度的电容传感器，由于实现了非接触测量，故对流动无影响，而且测量值与整个管道流通截面上的煤粉总量成正比，提高了测量准确性，实验室测试表明，该传感器能基本满足实际测量的要求。     

大作用距离超声波传感技术研究

研制了谐振频率为24.5 kHz的新型气介超声测距传感器,其作用距离超过了32 m.该传感器是由径向-厚度耦合谐振模式的超声波换能器、推挽变换器和具有高信噪比的时间-增益可变接收器所组成的.其中,作为超声波发送器的推挽变换器能够为阻抗为475 Ω的换能器负载提供峰-峰值超过400 V的交变电压.建立了基于NI 6024E数据采集控制卡和PC机的超声波测距平台,采用超声波发送信号与回波信号的包络相关来估计声波的射程时间,提高了超声波测距系统的鲁棒性.     

电容式矿用馈电状态传感器研究

为了进一步提高馈电状态传感器的性能,通过对馈电状态传感器的理论探索和现有应用的研究,根据<矿井安全监控新标准、新规程汇编>的要求[1],研制了一种新型馈电状态传感器,它是利用电容检测原理、场效应管作为传感器的敏感元件,来监测电缆芯线对地电场的状态,从而间接检测矿井电缆的馈电状态.与负载是否工作,电缆有无电流流过无关.只要电缆芯线带电,则输出馈电状态;反之,输出非馈电状态.它具有结构简单、成本低、可靠性高、灵敏度高、易于维护、更换方便等特点.     

压电传感器在动平衡测量系统中的设计与应用

传感器是动平衡测量系统中的重要元件之一,是一种将不平衡量产生的振动信号不失真地转变成电信号的装置.利用压电式力传感器作为动平衡测量系统中的敏感元件来测量不平衡质量引起的振动.重点阐述了该压电式力传感器的结构设计、安装位置设计及振动信号检测中的关键问题.同时,详细分析了该传感器的信号调理电路特点.现场实验结果表明,设计的压电式力传感器在动平衡测量中的性能良好.     

宽带高效超声波传感器的研究

提出了一种新型的双层压电结构超声波传感器 ,借助于移相电容器的移相作用 ,改变各压电层的激励电压的幅值和相位 ,实现对传感器频率特性的控制 ,从而得到了具有宽频带高效率的超声波传感器 ,为研究宽带高效超声波传感器探索了一条新的途径     

基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容式超声传感器设计

针对目前电容超声传感器多采用表面工艺制备,存在振膜应力大、厚度均匀性控制差且表面需要沉积分立电极而造成传感器灵敏度低、归一化位移小、频率易偏差的缺点,提出基于硅晶圆键合工艺的MEMS电容超声传感器。采用应力小、厚度均匀的SOI顶层硅作为敏感单元的一体化全振微传感薄膜,无需沉积分立电极,易于加工且频率偏差小。通过下电极的区域化定义及巧妙互联,避免了非活跃区的寄生电容。通过ANSYS及MATLAB对所设计的5种工作频率在124 kHz～484 kHz之间、满足水下成像需求的传感器结构进行性能分析,表明传感器的电容变化量为650.62 fF/Pa～10.827 fF/Pa,满足现有条件的信号检测,输出电压灵敏度可达1.700 mV/Pa。与同频率指标的传统基于牺牲工艺而制备的金属-氮化膜堆栈结构对比表明,本结构频率可预测性高,偏差仅为0.0535%;振膜变形更均匀,归一化位移提高0.0432%以上;灵敏度平均提高11.9249 dB。     

GMM 、PZT和超声变幅杆复合结构磁电换能器研究

将超磁致伸缩材料(GMM)、压电材料(PZT-5H)与超声变幅杆复合,构造了一种新型的磁电换能器.超声变幅杆具有聚能和放大应变的功能,可以数十到数百倍增强换能过程中对压电材料的激励,提高机电换能输出和增强磁电耦合效应.实验表明,在800 Oe偏置磁场和峰峰值为1 Oe交变磁场激励下,谐振点处的磁电耦合电压峰峰值达到498 mV,在负载电阻为2.55 kΩ时,输出功率达到4.08 μW.     

低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针的结构设计

以超高密度信息存储技术为应用背景,设计了低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针,并安排了探针加工工艺流程.通过建立更接近真实结构的悬臂梁模型,推导出了非矩形不等截面多层材料复合悬臂梁的弹性常数和谐振频率计算公式,并算出设计的悬臂梁探针的弹性常数和谐振频率分别为4 N/m和245 kHz.通过悬臂梁几何参数对力学性能影响的分析,从力学性能的角度对用于超高密度信息存储的悬臂梁探针进行了几何尺寸的优化.     

充油式传感器动态特性研究

通过金属膜片与硅油之间耦合振动的分析，从理论上提出了充油传感器动态特性的改善方法．所研制传感器的固有频率可达７４ｋＨｚ．