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。     

超声换能器压电陶瓷材料的选择

压电超声换能器的性能主要取决于所用压电陶瓷材料的性能。本文在利用改进传输线路法对常用压电陶瓷各项性能测试的基础上，进行了压电陶瓷性能对换能器作用的研究，结果认为，制作高灵敏度换能器宜选用PZT压电陶瓷，制作窄脉冲高分辨换能器宜选用PbNb2O6压电陶瓷，而制作高频换能器则宜用LNN压电陶瓷。     

超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统研究

超声压电换能器是中小口径超声波流量计的核心部件,工作环境温度会直接影响超声压电换能器的最佳工作频率,导致流量计计量不准确。以双通道超声波流量计为平台,设计了一个超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统。通过实验获取不同工作环境温度下的超声压电换能器最佳工作频率,并以性能最接近的两对超声压电换能器最佳工作频率的均值作为激励发射频率;设计了一个激励脉冲信号发射系统,根据工作环境温度通过查表法获取超声压电换能器的激励发射频率,自动完成超声压电换能器工作频率的温度补偿。通过实验分析了温度补偿系统对流量计渡越时间和流量标定的影响,结果表明:该系统能够实现超声压电换能器温度自动补偿;经过温度补偿的超声波流量计引用误差控制在1.5%之内,达到二级精度仪表标准。     

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。     

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%.     

超声测距换能器及收发电路的研究

目的　利用超声波进行近距离测试的研究 .方法　根据压电晶体的正逆压电效应 ,发射和接收超声波 ,介绍了换能器的设计结构及收发电路 .结果与结论　超声换能器配以适当的收发电路 ,可以使超声能量的定向传输 ,并按预期目的接收反射波 ,实现超声遥控、测距、防盗等检测功能     

OPCM阵列传感器及其在工程结构NDT中的应用

阵列换能器是在超声相控阵检测中实现电-声转换的传感器件,是影响无损检测(NDT)成像质量的关键因素。传统的超声相控阵换能器中存在力电参数不合理导致的结构不可设计性、驱动电压高等不足。为提高成像分辨率,设计了OPCM驱动/传感器相控阵列,并应用于铝板损伤检测。结果表明:OPCM驱动/传感器使相控阵超声损伤检测的成像分辨率优于常规的普通压电陶瓷阵列结果,研究拓展了复杂工程结构的无损检测技术(NDT)。     

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％     

损耗测量装置的压电陶瓷线性化设计实现

为了减小测量装置的谐振法测量中由压电陶瓷引入的损耗误差,采用对压电陶瓷驱动信号补偿的办法进行线性化.谐振法测量中需要使用压电陶瓷驱动扫频激光实现损耗检测,压电陶瓷形变非线性会导致模间距T产生误差,损耗值与模间距T成反比,损耗计算中会出现误差,因此压电陶瓷驱动信号需要经过线性化处理,减小在任何位置出的模中的模间距T的误差.实验结果表明:对压电陶瓷进行线性化,使接收到的功率谱信号模间距T的误差从±275(10%)降低至±50(2%),降低了损耗测量误差.     

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.