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《湘潭大学》 2010年
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纵波压电传感器瞬态特性的模拟与实验研究

何涛焘  
【摘要】: 压电传感器是以压电材料的正压电效应为基础,实现声能和电能相互转化的器件。超声检测用压电传感器是在瞬态状态下工作,对其瞬态特性的研究,是超声检测技术的重要内容。 本文首先对压电传感器的研究现状进行概述,并从理论上对其瞬态响应作了基本的分析,然后采用有限元方法分析了阻尼结构的几何尺寸及声阻抗对压电传感器瞬态响应的影响,最后通过实验对模拟结果进行了验证。本文的主要研究内容及结果如下: (1)通过力-电耦合瞬态有限元模拟,研究了背衬厚度与直径对传感器分辨率和灵敏度的影响。结果表明:增加背衬厚度可以在一定程度上提高传感器的分辨率。随着背衬直径的增加,分辨率先增加后减小,且直径越大,背衬厚度对传感器分辨率的影响越小。传感器的灵敏度随着背衬厚度的增加而减小,背衬厚度相同时,灵敏度随着背衬直径的增加而减小。这说明增加背衬厚度与直径虽然可以提高传感器检测分辨率,但这是以降低传感器的检测灵敏度为代价的。 (2)通过力-电耦合瞬态有限元模拟,研究了背衬声阻抗对传感器分辨率和灵敏度的影响。结果表明:传感器的分辨率随背衬声阻抗的增加而增大,当声阻抗取值在30-35MRayl时,传感器具有较高的分辨率。传感器的灵敏度则随着背衬声阻抗的增加而减小。这说明要使传感器具有良好的灵敏度,应当在保证其分辨率的情况下,尽可能选取低声阻抗的背衬材料。 (3)通过力-电耦合瞬态有限元模拟,研究了填充材料环氧树脂对传感器分辨率和灵敏度的影响。结果表明:填充环氧树脂可以进一步提高传感器的分辨率,且分辨率随着环氧树脂厚度和直径的增加而增加。相同厚度条件下,直径取值越大,分辨率越高。对于传感器灵敏度而言,其值随着环氧树脂填充厚度的增加而减小。当环氧树脂厚度相同时,传感器的灵敏度随着环氧树脂直径的增加而减小。这说明合理的填充环氧树脂可以提高传感器的性能。 (4)根据模拟研究中传感器的几何尺寸制作了实物压电传感器,并利用DB16声波仪分析了背衬与环氧树脂结构对传感器分辨率与灵敏度的影响。实验结果表明传感器分辨率与灵敏度的变化趋势和模拟结果是相一致的。 通过本文的研究,得到了压电传感器分辨率与灵敏度和阻尼结构几何、材料参数之间的关系。本文的研究结果对高性能压电传感器的设计与应用具有理论和实际上的指导意义。
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP212.1

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【引证文献】
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【二级参考文献】
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