大位移压电陶瓷驱动器的有限元分析

为研究压电陶瓷驱动器的驱动效能,制作了大位移压电陶瓷驱动器.基于压电陶瓷材料的机电耦合特性,应用动力学有限元分析方法,将大位移压电陶瓷驱动器离散成一系列四面体单元,分别进行了力学和电学分析.根据压电陶瓷的基本压电方程,耦合了位移模式与电场模式的有限元模型,建立了压电陶瓷驱动器的有限元动力学模性.利用有限元分析软件ANSYS中的直接耦合场进行分析求解,分析结果与试验测量值取得了良好的一致,证实了利用压电陶瓷双晶片弯曲变形,制作的大位移压电陶瓷驱动器结构设计的合理性.该分析方法对压电陶瓷驱动器的设计、制造与测试具有理论指导意义.     

一种FBG水听器探头增敏结构的研究

为了提高光纤布喇格光栅(FBG)水听器的声压灵敏度,提出了一种基于薄壳弹簧的增敏结构.通过增大声压作用面积,并将径向压力转化为FBG的轴向应变,使FBG对声压信号的敏感度增加了2 900倍.利用有限元软件ANSYS对结构进行优化设计后,制作了基于该增敏结构的水听器原型样品并在水箱中进行了实验.实验结果表明,利用该增敏结构将FBG的声压灵敏度提高了约2 264.6倍,基本实现了设计目的.     

金字塔型宽带平面水声换能器的研制

针对水声通信对带宽的需求,研制了一种金字塔型宽带平面水声换能器.该换能器采用四层纯压电陶瓷块嵌套的方式,实现了带宽的拓展.采用ANSYS有限元软件对单层压电陶瓷和金字塔模型敏感元件进行仿真,得到单层陶瓷块谐振频率随元件厚度的变化规律,并根据仿真结果确定了四层压电陶瓷敏感元件的最优尺寸.将根据最优尺寸设计的四层敏感单元进行嵌套,制作成金字塔型换能器.测试结果表明,金字塔型换能器带宽达到57 kHz,最大发射电压响应为165.8 dB,接受灵敏为-180.7 dB,可以有效扩展带宽并具有很高的灵敏度.     

溶胶-电雾化法在光纤表面制备PZT薄膜

首次提出了使用溶胶-电雾化法在光纤表面制备PZT压电陶瓷薄膜,分析了光纤表面PZT压电陶瓷薄膜的成膜机理与特点,系统的研究了溶胶-电雾化法制备PZT压电陶瓷薄膜的特点,并分析了前驱液浓度、电雾化条件、PZT压电陶瓷薄膜沉积过程温度等因素对于PZT压电陶瓷薄膜的表面质量的影响.针对整个工艺过程进行了优化,最终得到了表面质量较好的PZT压电陶瓷薄膜.     

同振式三轴向矢量水听器设计与实现

根据实际工程需要,设计、制作同振式三轴向矢量水听器,其外形为柱体两端带半球帽的圆柱体,声压通道和矢量通道在结构上结合为一体。矢量水听器外形尺寸为Φ54×72 mm、工作频带为20 Hz~2000 Hz。在国防科技工业水声一级计量站驻波管对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明：声压通道声压灵敏度级为-192.7 dB（0 dB=1 V/mPa）、具有全指向性;矢量通道声压灵敏度级为-185.3 dB（测试频率500 Hz,0 dB=1 V/mPa）、具有余弦指向性。设计、制作的矢量水听器灵敏度高、通道一致性好、使用方便,满足工程应用需求。     

浅海水听器的研究

浅海水听器是一种利用压电敏感元件接受地质信号将机械震动转换为电信号的机电装置,是应用于海洋地震勘探以及工程测量领域的专用传感器.浅海水听器作为海洋地震勘探的关键设备之一,其性能直接关系到地震数据采集的质量.因此,浅海水听器的技术和应用一直倍受广大物探工作者的关注.目前.勘探市场上的水听器灵敏度普遍偏低,在某种程度上制约着勘探中微弱地震信号的数据采集.介绍了一种采用四块圃片状压电陶瓷敏感元件配接变压器的浅海水听器,研究了该浅海水听器的结构和等效电路.在相同条件下,通过与圆筒状水听器和配接前置放大器的水听器的比较分析,表明了采用此种结构的水听器在灵敏度上的优越性,提高了地震数据采集质量,以满足现代海洋勘探技术要求.     

一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。     

微光机电陀螺微致动器设计与有限元分析

提出了一种锆钛酸铅(PZT)薄膜微致动器的结构模型。该致动器采用高d33特性的压电陶瓷材料,用于对空间谐振式微光机电(MOEMS)陀螺微镜进行位移和角度的精确定位。建立了该致动器的简化模型并利用有限元方法分析其驱动能力。结果显示,当采用双层结构的PZT薄膜微致动器时,在外加电压50V作用下,环形PZT位移控制器中心位移可达到0.345μm;十字形角度控制器偏转角度可达3.29″,增加PZT薄膜的层数可以进一步增加致动器对微镜位移和角度的控制能力。通过对仿真结果进行分析可以得出结论,选用多层PZT薄膜材料制成的微致动器能够满足调整微镜位移和角度所需的范围和精度要求。     

一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。     

基于ANSYS的埋入混凝土中压电陶瓷谐振频率分析

基于ANSYS研究压电陶瓷(PZT-5H)的振动模态,结合谐响应算法得出压电陶瓷3个不同区域的应变-频率曲线,并将压电陶瓷和混凝土单元耦合,实现了压电埋入式混凝土机敏模块的电-声系统声压云图仿真,得到了不同激励频率下的最大声压和声场分布。结果表明压电陶瓷在20 kHz~100 kHz频段内有4个振幅极大值频率点,随着谐振频率的增加,振幅逐渐增加,而振动分布呈先集中后分散的变化趋势;通过谐响应分析发现压电陶瓷声辐射面不同区域最大应变频率均在80kHz附近;由电-声系统的声场分析发现压电陶瓷的激励频率为79.666 kHz时声压最大、声场分布最优、声指向性集中。     

新型三维MEMS矢量水听器的设计

根据国内对高灵敏度、低频小体积三维矢量水听器的需求,提出了一种仿鱼侧线纤毛的MEMS三维矢量水听器。该水听器采用多纤毛结构分别用来接收X、Y与Z方向的声信息,采用ANSYS进行仿真,静力分析得出了布放压阻的合理位置,谐响应分析得出该结构的固有频率在1.5 kHz左右;驻波桶校准测试结果表明:该水听器的灵敏度范围在-200 dB到-180 dB左右;在25 Hz～2 000 Hz频段内具有良好的频响特性;指向性分辨率大于等于30 dB,具有良好的"8"字形指向性。     

An on-line calibration hydrophone with electrostatic actuator基于静电激励器的在线校准水听器研究

On-line sensitivity calibration of hydrophones is of considerable significance for their practical application. An on-line method using an electrostatic actuator is proposed in this paper for a radially polarized cylindrical piezoelectric hydrophone. The theory of this calibration method is analyzed. A calibration structure with an electrostatic actuator is designed, and is integrated with the hydrophone sensing element. The sensitivity and frequency characteristics of the electrostatic actuator are measured experimentally. The sensitivity of the hydrophone is calibrated and compared with its free-field sensitivity. Uncertainty analysis shows that the expanded uncertainty of the proposed calibration method is about 1.1 dB at a confidence probability of 95%, which meets the uncertainty requirements for hydrophone sensitivity calibration.     

A finite element method for the analysis of piezoelectric composite hydrophones

A robust finite element method is developed for the analysis of piezoelectric bodies. The method is general enough to account for the losses in material coefficients. The method is used to analyze the behavior of 3:1 PZT-rubber composite hydrophone. The effect of material properties, sizes and locations of the rubber phase on the response of the composite is studied. Also the viscoelastic properties of the rubber phase are studied for its effect on the sensitivity as well as on the dynamic response of the composite hydrophone.     

采用双迭片压电敏感元件的声压梯度水听器

介绍一种采用双选片压电敏感元件的声压梯度水听器．描述了这种水听器的结构设计方法以及实测的指向性、接收灵敏度特性，提出几种可能的变型设计．     

压电圆盘弯曲式矢量水听器的设计

介绍一种采用三迭圆片作为敏感元件的矢量水听器——压电圆盘弯曲式矢量水听器的设计方法 ,并给出根据此方法设计制作的压电圆盘弯曲式矢量水听器的性能指标——自由场开路电压灵敏度和指向性图的实验测试结果 :自由场电压灵敏度为 - 2 14.5dB(0dB =1V/μPa ,测试频率 10 0 0Hz) ;指向性图的分辨力kd >2 0dB。     

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。     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。