二分之一波长大功率夹心式压电陶瓷换能器的设计与仿真验证

在功率超声领域,夹心式压电陶瓷换能器以其出色的频率特性和机电转换性能得到了最为广泛的应用。以实际工程为例,对于给定工作频率的二分之一波长大功率夹心式压电陶瓷换能器,进行设计与参数计算。完成计算后,通过ANSYS有限元分析软件,对计算结果进行仿真及验证。     

一种压电换能器的结构设计与拉伸式装配方法

压电换能器装配预应力直接影响产品性能。大直径压电换能器对装配预应力控制和压电陶瓷应力分布均匀性提出了更高的要求。为实现大直径压电换能器的高预紧力装配,开展了大直径压电换能器结构设计、装配方法设计和径向应力均匀化研究。首先,基于传输线方法和模态分析开展压电换能器设计,采用Morris方法进行了尺寸参数对压电换能器纵振频率、振幅比和节面位置偏差的灵敏度分析,并设计了预期性能的压电换能器;然后,根据压电换能器对预应力控制的需求,提出了一种液压拉伸式装配方法;针对拉伸装配过程中压电陶瓷组的径向应力分布不均匀问题,对拉伸装配过程中的2个关键状态进行了静应力分析,以指导压电换能器的结构改进设计;最后,设计了拉伸装配装置,并基于该装置完成了压电换能器装配试验。试验结果验证了所提拉伸式装配方法可实现预期性能的压电换能器装配。压电换能器装配后的串联谐振频率和并联谐振频率分别稳定在18.05 kHz和19.57 kHz附近,串联谐振阻抗在10Ω以内,机电耦合系数在0.34～0.36之间。研究结果为控制压电换能器装配预应力提出了新的解决思路,并为大直径压电换能器设计时如何均化陶瓷应力状况提供了解决方法。     

基于ABAQUS的压电悬臂梁有限元仿真分析

介绍了压电效应与压电材料相关理论及大型有限元分析软件ABAQUS及其力电耦合场分析功能,采用有限元软件ABAQUS对压电材料悬臂梁进行分析.建立了ABAQUS软件压电悬臂梁实体模型,设定几何尺寸和材料特性参数进行性能仿真,具有很好的通用性.讨论了不同电压下电压-位移变化关系.算例结果表明ABAQUS计算结果同理论解吻合很好,具有较高的精度.     

槽钹形压电复合换能器理论建模及有限元分析

为了解决传统钹形压电复合换能器在用作传感器和驱动器时，由于存在的环向应力，导致部分输出机械能损耗及换能效率不高的问题，提出一种新型高性能钹形压电复合换能器.该压电复合换能器通过对钹形金属片沿径向切槽以释放金属片中的环向应力的方法，使压电片的机电转换能量能够充分发挥出来，以提高换能器工作性能.通过对该槽钹形压电复合换能器进行压电学及力学分析，建立了槽钹形压电复合换能器的力学理论模型，并通过对不同槽数的槽钹形压电复合换能器进行输出力、输出位移及固有频率的理论计算及有限元分析，验证了槽钹形压电复合换能器较传统钹形压电复合换能器的能量转换率提高了86％     

超声波轴承用压电换能器模态分析及实验研究

设计了超声波轴承用压电换能器,确定所采用的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,确定压电换能器辐射端面与其他零件组成摩擦副时产生最佳减摩效果的振动模态,并通过实验研究加以验证.研究表明,压电换能器处于纵向振动状态时产生的减摩效果最好.实验证明,超声振动具有良好的减摩性能,同种材料形成的摩擦副,在超声振动状态下静摩擦系数比非振动状态下降低了70%.     

膈膜式传感器微压电复合薄板的模态分析

为了分析柔性谐振膈膜式微传感器在设计中的微压电复合薄板模态问题,采用近似理论方法与有限元法分别对方形压电复合薄板的模态进行了分析.推导出压电层和支撑层的势能与动能表达式,给出利用瑞利法求解一阶频率的过程.借助微系统设计开发与仿真软件,依据器件加工工艺,建立了器件三维模型.使用软件的有限元分析功能,对其进行了网格划分和模态分析,给出了一阶和二阶模态振型及模态频率.通过对仿真结果的讨论,为传感器的设计提供了借鉴.     

超声抛光系统中磁阀式可控电抗器仿真

针对目前超声换能器输出电压电流存在相位差、无功损耗过大等问题,提出解决方案,简述了压电换能器和磁阀式可控电抗器(MVCR)的结构,分析了可控电抗器的工作原理并推导出磁阀式可控电抗器的数学模型及其等效电路。然后应用MATLAB/simulink软件,依据得到的等效电路搭建带有磁阀式可控电抗器的压电换能器仿真模型,并进行了仿真,得到了良好的补偿效果。     

压电相体积分数对1-3 型压电复合材料的性能影响

采用有限元软件仿真研究了不同的压电相体积分数对1-3 型压电复合材料性能的影响, 并进行了实验验证。结果表明: 当压电相体积分数按照47% 、52% 、68% 、74% 、100% 变化时, 串联谐振频率和并联谐振频率均随压电相体积分数增大而增大; 机电耦合系数在压电相体积分数为52% 时获得最优值0.698; 复合材料的频率常数、密度、纵波声速和声阻抗均随着压电相体积分数的增大而增大。有限元仿真与实验结果较为一致。该材料有望用于制备高性能的无损检测用超声换能器。     

1-3型压电复合材料发射换能器研究

针对1-3型压电复合材料换能器完整模型节点数多、计算时间长,周期模型不能直接模拟换能器水中响应特性等问题,提出了应用ANSYS软件分析1-3型压电复合材料发射器的方法,并利用此方法和厚度模式理论设计了1-3型压电复合材料发射器.同时对厚度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析.研究结果表明,所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,制作的复合材料发射换能器谐振频率为300 kHz,最大发射电压响应为178 dB,且厚度模态纯净.     

压电陶瓷换能器的研究与应用

超声换能器基于压电材料制作,通过发射一定频率的超声信号,并接收载有介质信息的信号对目标介质进行检测.压电陶瓷的特殊性能决定了超声换能器在检测领域的应用越来越广泛.本文主要进行了压电陶瓷的特性分析及换能器的电路等效设计,分析了换能器的性能参数及在液体浓度检测中的应用.     

复合连通型压电水声换能器基阵的研究

针对压电水声换能器自由场电压接收灵敏度问题,以Cymbal换能器为压电相,聚氨酯为聚合物相,构成了具有1-3复合连通型特征的压电复合水声换能器平面均匀并联基阵.建立了基阵数学模型;制作并测试了该基阵的自由场电压接收灵敏度.结果表明,该种结构的压电复合水声换能器的自由场电压接收灵敏度与阵元的体积分数有关;与阵元的间距有关,阵元间距在对应于辐射因子为零处时,可得到该基阵的自由场电压接收灵敏度的最大值;其自由场电压接收灵敏度的实测值与理论值有很好的吻合程度,基阵的基波谐振频率比单个换能器阵元的基波谐振频率明显降低.     

Cymbal压电发电机系统

建立了Cymbal压电发电机发电系统,设计了DC-DC型能量存储电路并进行了压电发电性能研究。同时实验研究了占空比、电感等参数对压电发电性能的影响。研究结果表明,占空比这个DC-DC电路中的重要参数存在一个最佳值,使得负载的输出功率达到最大。在一定范围内电感对负载输出电压的影响不大,但对输出功率的影响比较明显。当占空比为2%、电感为1.5 mH时,压电发电机最大输出功率可达到10.5 mW。由Cymbal压电发电机产生的电能能够满足微型机电系统、网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。     

压电换能器装配控制技术研究

压电换能器是超声设备的核心器件,该文提出基于计算机控制的压电换能器装配的新方法,分析传统的压电换能器装配存在的问题。硬件中突出了抗干扰设计,并介绍了控制软件设计思路。通过基于计算机控制的压电换能器恒扭矩装配方法,实现了压电换能器装配的机械自动化,提高了装配精度,解决传统装配中的不稳定等缺点。     

低驱动电压MEMS电容开关设计与仿真

设计了膜桥支撑梁为弹簧弯曲结构的MEMS电容开关,应用有限元软件Intellisuite对开关静电驱动特性进行仿真,得到开关驱动电压,并分析不同膜桥材料对MEMS电容开关驱动电压的影响.结果表明,与固支结构悬臂梁相比,弹簧弯曲结构悬臂梁支撑的电容开关具有更低的驱动电压,由杨氏模量小的膜桥材料构成的开关具有比其他材料更低的驱动电压.     

芯片键合纵弯复合超声换能器的设计与试验

为了解决当前采用一维纵向超声加载模式进行芯片键合时造成结合面不充分的问题,设计纵弯复合超声能量加载模式的压电超声换能器,实现轴向纵振和水平弯振复合的超声振动代替传统单一的轴向振动. 采用ANSYS软件,对换能器有限元模型进行模态分析和谐响应分析,得到换能器纵振和弯振模态的谐振频率及振型. 通过调节换能器结构尺寸,实现纵振与弯振模态的简并. 采用阻抗分析仪对样机的频率和阻抗进行测试,使用激光多普勒测振仪测试换能器的纵振与弯振幅值,测试结果与有限元仿真计算结果一致,发现纵向与弯曲振幅均随着驱动电压的增加呈近似线性上升趋势, 证明设计的压电换能器实现了纵弯复合振动.     

Simulation analysis of directivity and optimization of the array of the AlN thin film PMUT array

The relatively low piezoelectric constant of the aluminum nitride piezoelectric film limits the development and application of the piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer based on the aluminum nitride. Therefore, the directivity of the piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer array is studied for this problem. First, the far-field sound pressure and normalized directivity function of the transducer array are calculated according to the Rayleigh principle. Furthermore, the effects of array element radius, array element spacing, array element number and operating frequency on the beam width, direction sharpness angle and sidelobe level of the array are analyzed, and the transducer array is optimized. Finally, based on the optimization results, area and filling efficiency, the final structure size of the transducer array is determined and the sound pressure distribution visually simulated. The results show that the optimized transducer array has an ideal sound pressure distribution, good directivity and sharp main lobe. The-3dB beamwidth of the main lobe is about 9 ° and the sidelobe level is about 0.228.     

复合型USM压电扭振子设计及其特性分析

介绍利用国产压电材料设计纵扭复合型超声波电机(USM)压电扭振子的理论和制造工艺,主要内容包括:压电材料的选取,压电扭振子的结构,根据等效电路推导出电机扭转振动模式的谐振频率方程,以及扭振子尺寸计算公式;根据实验总结了压电扭振子的制造工艺、黏接及其注意问题.并利用阻抗频谱分析仪测试了按上述理论设计的压电扭振子的频率特性.结果表明:设计理论、黏接剂的选择以及加工方法是合理可行的.据此研制的样机最大输出力矩已达10 Nm以上.     

IC引线焊接用超声键合换能器的优化控制

大规模集成电路芯片内晶片与IC引脚间的引线焊接常用基于超声键合压电换能器的超声波焊接工艺,因此超声键合换能器的控制性能直接影响了引线焊接质量及IC芯片的可靠性。该文在分析压电换能器特性的基础上,提出了一种对压电换能器特性参数进行自动辨识的扫频自学习方法,及基于调节器参数自整定的换能器优化控制方法,并介绍了以高性能DSP为核心的压电换能器控制系统的技术实现方案,该系统已在国际品牌的IC封装设备金线焊线机中得到应用。