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。     

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。     

电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究

提出了一种提高电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率的方法,首先,在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型,然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔厚度以及提离距离对换能效率的影响.结果表明:减小基板厚度以及提离距离,增加线圈铜箔厚度可以提高EMAT换能效率.最后通过实验进行验证,仿真结果与实验基本一致.     

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.     

一种高频宽带水声换能器的研制

研制了一种宽带、高频压电复合材料圆环阵水声换能器.该换能器的宽带结果是通过采用降低压电材料机械品质因数Qm值和多模耦合振动两种方法实现的.通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注环氧树脂得到压电复合材料圆环,再将不同壁厚的压电复合材料圆环轴向叠堆而成敏感元件,对敏感元件进行模具封装,引出电极引线,得到换能器.利用ANSYS软件对结构进行仿真,得到敏感元件谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件的最优设计方案.将由最优参数得到的两个压电复合材料圆环轴向叠堆,制作了双圆环叠堆复合材料换能器.经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,该换能器谐振频率为375 kHz,其-3 dBd工作带宽为90 kHz,最大发送电压响应达148 dB.实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标.     

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.     

Cymbal型压电换能器电压-位移特性建模与分析

通过对Cymbal换能器压电陶瓷片受力分析,给出了其压电方程的边界受力约束条件,建立了Gymbal型压电换能器电压-位移函数关系模型.模型计算结果与试验结果吻合.并利用该模型,给出了Cymbal换能器几个关键参数对等效压电常数de33的影响规律.这些结论对Cymbal换能器的敏感参数误差控制、大批量生产工艺优化、性能指...     

自供电的压电振动能与温差热电能融合采集电路设计

环境能量俘获中压电振动能和温差热电能的俘获电路设计已成为近几年研究的热点之一。但由于存在压电换能器和热电换能器输出的能量分别是交、直流形式而难以同时俘获,且热电换能器的开路电压通常要低于三极管的阈值电压而需要借助外部电源供电等问题,本文提出了一种自供电的混合式同步电荷提取HSP-SECE(Hybrid Self-Powered Synchronous Electric Charge Extraction)电路。所提出的HSP-SECE电路,通过压电电压峰值的检测,在其达到峰值时进行压电振动能和温差热电能的同步提取,实现两种能量的融合采集。仿真和实验测试表明,所提出的电路可以有效实现温差热电能和压电振动能的同步采集,与现有的电路相比,在俘获效率、自供电和负载相关性等方面,具有较为明显的优势和特色。     

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.     

超低启动阈值自供电SECE电源管理电路

压电换能器通常输出微弱,使用辅助电源的自供电控制电路功耗大,其电源管理电路启动阈值高,启动速度慢,转换效率低.对同步电荷提取(SECE)电路进行建模和理论推导,提出了一种间歇性自供电控制电路原理.根据SECE电路输出的最大功率点,间歇性地给控制电路非常短时间供电,并解决了间歇供电易造成逻辑混乱的问题,大幅度减小自供电电路的功耗,提高电路的效率,电路在极低输入功率下也能快速启动.实验结果表明,在压电换能器输出21 Hz、3.6 V电压时,控制电路功耗低至0.19 μW,是常规控制电路总功耗的1/134;管理电路的启动功率阈值仅为0.39 μW,低于通常电路的1/14.该控制电路的工作原理也适用于其他容性内阻换能器的微弱能量采集和高效管理电路.     

应用传感器检测铣削过程中产生的声发射信号

采用压电传感器对铣削过程中产生的声发射信号进行了检测，对传感器的安装位置和安装方法进行了试验研究．结果表明：传感器安装的位置和方法不同，对所接收到的声发射信号各不相同．利用很值和有效植二参数的检测可判断传感器所采集的最佳声发射信号．     

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.     

压电生物传感器响应机制的声阻抗模型理论分析

基于声阻抗概念, 建立起压电传感器响应机制的声阻抗模型, 并引入与传感器负载剪切模量相关的声学校正因子, 以表明传感器响应中的非质量效应. 由此模型在一定近似条件下, 对黏性液体, 气/液相刚性和黏弹性薄膜等不同负载, 分别导出相应的传感器响应方程, 阐明了各种传感器响应机制的物理意义. 另外在实际应用中可能存在摩擦, 非均匀性和界面现象等干扰, 但利用该声阻抗模型可望获取新信息、开拓新的应用.     

一种小型高效水声发射机的设计与实现

针对便携式水声通信设备小体积和高效率的要求,设计并实现了一种水声信号发射机;分析了系统发射功率要求,采用AD公司新款采用PDM调制的D类音频功放SSM2305,能够实现可调的输出功率;根据换能器和音频功放的阻抗特性,对调谐匹配及脉冲变压器的选型进行了分析,采用串联调谐和脉冲变压器进行匹配滤波;该水声发射机的发射信号采用2FSK调制并进行了水池实验,测得SSM2305最高工作频率可达30kHz,发射机系统电声转换效率为27%,表明该发射机可以应用于便携式水声通信设备。     

Microfabricated Lamb wave device based on PZT sol-gel thin film formechanical transport of solid particles and liquids

The fabrication using silicon micromachining and characterization of an acoustic Lamb wave actuator is presented. The intended use of the device is for mass transport and sensor applications. The device consists of dual interdigitated transducers patterned on a thin-film composite membrane of silicon nitride, platinum, and a sol-gel-derived piezoelectric ceramic (PZT) thin film. The acoustic properties of the device are presented along with preliminary applications to mechanical transport and liquid delivery systems. Improved acoustic signals and improved mass transport are achieved with PZT over present Lamb wave devices utilizing ZnO or AlN as the piezoelectric transducer     

薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振特性的模拟分析*

主要利用Mason等效电路模型对加入介质声损耗的薄膜体声波谐振器输入阻抗公式进行了推导,并利用该结果对薄膜体声波谐振器的谐振特性进行了模拟分析,分别就不同压电层材料和厚度以及不同电极材料和厚度对薄膜体声波谐振器谐振特性的影响进行了详细分析.结果表明,薄膜体声波谐振器谐振频率主要由压电材料和厚度决定但电极的影响也是很大的.在制作高频FBAR器件(5GHz以上)时,采用氮化铝作压电材料比用氧化锌作压电材料更合适.     

合成阻抗在振动噪声控制中的应用

用改进的DSP合成阻抗电路替代传统的压电分流阻尼电路进行振动噪声控制。详细分析了该DSP合成阻抗电路的工作原理和实现方法。在一个声学圆管上进行了并联DSP合成阻抗的压电阻尼的减振降噪实验,给出了单模态被动减振和降噪的实验结果,并将其结果与传统阻尼电路进行比较。实验结果表明:这种被动控制系统能获得更好的振动控制效果。     

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。