热量表超声换能器建模及分析(下)

(接2011年第9期)4超声换能器模型仿真计算由上述分析可知,只要激励波形给定,就可以求得发射声波波形和接收换能器产生的瞬态电压波形。由于要采用傅利叶变换和傅利叶逆变换,解析方法过于复杂。将时域的激励信号采用傅利叶变换得到频域函数,其离散序列值可计算出发射声波压     

矩形超声换能器空间脉冲响应计算方法研究

空间脉冲响应模型是一种可以高速、精确地计算平面型超声换能器瞬态声场的方法,该方法不需要对平面型探头的表面进行离散化或近轴近似处理。首先将空间点投影到换能器平面内,将构建空间脉冲响应函数转化为计算以该投影点为圆心,与换能器相交的圆弧段的圆心角。由于矩形换能器包括4个顶点和4条边线,其几何形状与圆形换能器相比较为特殊,所以当投影点位于平面内的不同位置时,其计算方法也不相同。首先将探头所在平面进行分区,当投影点位于同一分区中时,其空间脉冲响应函数的计算方法相同;然后给出了当投影点位于各个分区中时的空间脉冲响应函数的计算过程,分析了矩形换能器尺寸的变化对分区的影响;最后,对一维超声相控阵探头的瞬态辐射声场进行了计算实验,并采用动态光弹方法对瞬态声场进行观测实验。实验结果表明,不同的换能器尺寸对计算过程及结果有显著影响,本文计算方法可以有效地实现矩形超声波探头在均匀单一介质中的瞬态声场仿真计算,有利于对平面矩形类超声换能器进行优化设计。     

利用瞬态信号建模技术估计换能器的稳态参数

本文简要介绍了瞬态信号建模技术,用瞬态建模技术计算得到了发射器的发送电压响应,其测试结果与自由场稳态测试结果一致性很好,说明瞬态信号建模技术是换能器低频校准的一个十分有效的方法.     

超声电机启动瞬态的电参量测试

针对当前超声电机电参量的测试方法无法表征其启动瞬态电参量变化规律的问题,提出一种用于超声电机启动瞬态电参量测试的方法。基于加窗的短时傅里叶变换,对超声电机的驱动电压和驱动电流信号进行时频分析处理,得到超声电机启动瞬态下电流电压信号对应的频谱。利用单峰谱线插值法对信号的频谱进行插值修正,得到信号精确的幅值、频率和相位信息,并进一步计算得到阻抗、阻抗角等电参量信息。通过对仿真信号进行处理分析,验证该方法在启动瞬时电参量计算方面的准确性。搭建超声电机瞬态测试平台并对PMR-60/E型超声电机进行测试。结果表明,该方法能够揭示超声电机启动瞬态电参量在电机启动过程中的变化规律,可用于评估超声电机的振动响应特性,同时为超声电机等效电路模型的建立及驱动电路的设计提供重要信息。     

基于ANSYS的超声拉丝换能器研究

设计了一种超声拉丝用换能器,确定了压电换能器的相关参数,并采用有限元法进行压电换能器的振动模态分析,谐响应和瞬态分析,最后用阻抗分析仪和显微镜对换能器的特性做了实际的测量,研究结果表明:有限元法对设计和分析有很好的指导作用,这种超声拉丝换能器具有良好性能,对下一步的应用研究有重要意义.     

超声波轴承用挤压式压电换能器的共振频率

设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器,用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理,建立压电换能器机电等效电路图,理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程;然后,应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析,计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率,数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后,设计了 一台样机,从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示：换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%,仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性,为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。     

基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的建模与优化

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)是电磁超声检测技术的核心部件,具有非接触、不受工作环境影响、易于激发多种类型的超声波等优点。但与传统的压电式超声换能器相比,电磁超声发射换能器的换能效率较低,导致超声回波信号较弱,检测结果不理想。现阶段,在完善对EMAT建模分析的基础上,通过对换能器参数的优化和结构的改进设计以及与其他新技术相结合的方式,EMAT的换能效率已经有了明显的提高,但仍存在解析、半解析建模方法不完整,数值建模方法计算时间长,以及换能效率仍然不够理想等问题。对此,综述近十几年来基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的数学建模方法,包括解析法、数值法和半解析法,给出较为完整的耦合方程和建模过程。并在此基础上,分析了偏置磁场、激励线圈、提离距离等参数对换能效率的影响规律以及换能器的优化设计方法,为今后电磁超声换能器的模型完善和改进提高提供参考。     

以Euler梁为波导耦合的超声发射换能器与接收换能器输入—输出理论分析

应力波因子技术是近几年发展起来的评估复合材料损伤的新技术，本文讨论了该技术应用于梁类构件时超声发射换能器与超声接收换能器输入－输出的理论分析问题。通过引入简化假设首先建立起问题的方程，然后借助于多重积分变换方法获得了发射换能器与接收换能器输入－输出关系的频域显式表达式。以此为基础进一步应用解析方法和快速傅里叶变换（ＦＦＴ）数值方法对接收换能器的时域输出特征进行了理论分析和数值计算。根据本文的分析与计算，最后得出了一些有益的结论     

基于多体动力学的柴油机瞬态转速仿真研究

在曲轴柔性化的基础上,利用虚拟仿真手段,建立了TBD234V6型柴油机的瞬态转速分析模型。通过建模,仿真计算及分析,探讨了平均转速、负荷以及各缸工作均匀性对瞬态转速的影响。试验表明:仿真结果与试验结果基本吻合,说明仿真计算模型可靠。     

一种IGBT模块的新型建模与瞬态仿真方法研究

针对所采用的仿真方法无法全面评价IGBT模块可靠性的问题,提出了一种新型的IGBT模块仿真方法:对IGBT模块工作过程中的瞬态损耗进行了分析和计算,并对IGBT模块进行三维建模与瞬态下流固耦合仿真。以FS800R07A2E3为例,采用一维仿真分析计算其瞬态损耗,并将瞬态损耗等效为半正弦波,作为一维边界条件加载至三维仿真模型;同时基于Star-CCM+软件,采用瞬态仿真与流固耦合仿真相结合的方法,仿真得到了模块内部温度场分布云图和芯片最高结温波动数据,并采用英飞凌实验数据验证了仿真模型的准确性。研究结果表明:模块内部三相的不均匀性在2℃左右,瞬态仿真下的最高结温比稳态仿真下高7℃左右;该仿真方法更加接近IGBT工作的实际情况。     

压电超声换能器电负载调频特性研究

压电超声换能器由于具有较高的机械品质因数,因此对谐振频率的变化十分敏感。在负载、温度等工况因素影响下,超声换能器谐振频率会发生偏移,从而造成其出现工作性能下降甚至完全失效。提出一种电负载影响下的超声换能器等效电路,建立谐振频率与电负载的关系模型,并通过仿真以及试验进行验证。结果表明,这种电负载调频的压电超声换能器,可以有效地克服谐振频率偏移带来的性能损失问题,为新型超声加工系统的研制奠定了理论基础。     

智能超声船舱水位计

本文提出一种船舱水位计,并介绍其测量原理、传感器结构、调理电路及与单片机8O198的接口和软件。仪器结构设计合理、调试方便、抗干扰能力强,且具有水位报警及自诊断功能。实际使用和误差分析表明:仪器满足船舶运行的技术要求,从而为安全航行提供了一种较为实用和先进的仪器。     

超声换能器过固有谐振区匹配理论

超声压电换能器是一个能量转换系统,在超声波振动加工中将超声波电源输出的电能转换为机械振动,由于超声压电换能器是一个容性负载,为保证超声电源输出的电能有效地转换为超声压电换能器的机械振动,需要在超声电源和超声压电换能器之间加一个适当大小的电感进行匹配,但超声压电换能器又是一个强非线性时变系统,在不同的工作频率下其阻抗特性以及机械振动特性差别显著,因此如何将超声压电换能器匹配在一个恰当的工作频率,是提高振动加工质量的关键.通过正确选取超声压电换能器的等效电路模型,并对由此推导出的阻抗圆进行深入分析、研究,可以得出:如将换能器工作频率匹配在大于其内部固有谐振频率的某一频段,可以使换能器振幅最大,振动波形质量也最好,是换能器的最佳工作频段,从而提出超声压电换能器"过固有谐振区"匹配理论.试验结果证明该理论正确.     

手持式油位计

手持式油位计以超声波换能器作为传感器件，实现了油位的非接触测量；以单片机为主控器件，用光电耦合器将超声波发射电路与系统隔离，提高了系统的稳定性；接收部分采用集成锁相环LM567检测接收到的信号，降低了成本；使用单总线数字温度传感器DSl8820对声速进行补偿，对产生读出DSl8820数据错误的原因进行了分析并解决了这一问题；电源电路采用高效率芯片1CL7663，实现了单节干电池供电；显示采用液晶显示模块，减少了能耗；整个系统达到了设计的要求。     

导纳圆图在压电式超声波换能器中的研究

分析压电式超声波换能器的等效电路，并由等效电路输入阻抗的导纳圆图确定了换能器的元器件参数以及谐振频率、机械品质因数和工作带宽等特征参量。     

环鸣法声速仪超声波发射/接收电路设计

通过对海洋环鸣法声速仪的深入分析,阐述环鸣法声速仪的工作原理,设计了1种的超声波发射/接收电路。重点研究了高压窄带脉冲产生电路、MOS管驱动电路以及匹配网络。对研制的电路进行了性能分析,所有的电子器件均无过热现象,获得了较为理想的超声波。整个电路结构简单,成本相对低廉,操作安全,易于模块化实现,符合待定检测的要求。     

复合管功率超声压电换能器的径向振动特性

在纵向复合压电超声换能器基础上,提出并研究带预应力外壳的径向复合管压电超声换能器的径向振动特性。换能器由径向极化薄壁压电陶瓷圆管与预应力金属圆管外壳径向复合而成。依据机电类比原理,建立起复合系统的径向振动等效电路,并给出其径向振动共振频率方程。结合数值计算例,探讨换能器的共振和反共振频率以及有效机电耦合系数与预应力圆管半径比之间的关系。设计制作4个径向复合管压电超声换能器样品,通过试验测量换能器径向振动共振和反共振频率。结果表明,换能器径向共振频率的理论值与测量结果符合较好,误差小于5%。     

智能化超声波液体密度计

设计了超声波探头的结构，给出了详细的探头制作工艺。描述了超声波密度传感器的电路设计，分析了发射电路、接收电路以及智能化单片机信号处理电路等问题。给出了该传感器的一种实用化温度补偿电路及工业上常用汞的测量数据与化学法的对比表。试验证明：经过该电路的设计和温度补偿电路的修正，测试精度达到0．25％，能够满足工业现场的需求。     

径扭复合模式盘形压电超声换能器

提出一种新型的斜缝式结构径扭复合模式振动盘形压电超声换能器,并对其径扭复合模式振动进行了理论和试验研究。通过对斜槽处应力的分解,引入两个机械转换系数,依据机电类比原理,建立起换能器的径扭复合模式振动耦合机电等效电路模型,从等效电路得到换能器的径扭复合振动频率方程,探讨狭缝的斜角对换能器共振频率的影响,数值计算表明换能器共振频率随斜角增大而降低。试验加工三个不同斜度狭缝的换能器,并对其共振频率进行了测试和有限元法模态仿真计算,结果表明,理论与仿真值及试验结果吻合较好。     

基于开关电容能量球的低噪声超声测距仪的研究

本文研制了一种新型的基于开关电容的低噪声超声波测距仪，相比现有的变压器驱动测距仪，它采用一种电容充放电原理的能量球自适应驱动原理，通过能量球内部快速电子开关切换，利用电路谐振原理激励出比储能电容电压高出3～5倍的能量球驱动电压，对超声波探头进行驱动。该能量球具有体积小、噪声低的特点。根据该原理研制的超声波测距仪，在污水厂进行了超声波测距的对比试验。结果表明，该仪表的能量球驱动方式相比变压器驱动方式，量程提高近20％，信噪比提高18．5dB，适用于恶劣工况。