基于壓電振子徑向振動的匹配層氣介超聲換能器設(shè)計.pdf

1、隨著我國天然氣戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進，天然氣產(chǎn)業(yè)對氣體超聲波流量計的需求量急劇增加，繼續(xù)使用進口的氣體超聲波流量計將大大增加天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本，所以有必要研發(fā)國產(chǎn)經(jīng)濟型氣體超聲波流量計。作為氣體超聲波流量計主要測試部件，氣介超聲換能器的性能參數(shù)將直接影響氣體超聲流量計的整體性能，而目前市場上沒有一款能夠符合氣體超聲波流量計需求的氣介超聲換能器，因此需要重新設(shè)計新結(jié)構(gòu)的換能器。
　　本文首先根據(jù)氣體超聲波流量計對換能器的要求，結(jié)合相關(guān)

2、的換能器設(shè)計理論，確定換能器中壓電振子為徑向振動模式的PZT-5H材料，并初步計算了振子的尺寸參數(shù)。根據(jù)匹配層介質(zhì)的相關(guān)設(shè)計理論，得到理想條件下匹配層的相關(guān)參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了利用圓片壓電振子徑向振動模式，帶匹配層結(jié)構(gòu)的氣介超聲換能器的基本結(jié)構(gòu)。
　　然后為了對換能器的工作狀態(tài)進行分析，便于后續(xù)對換能器的優(yōu)化，使用ANSYS有限元分析軟件對本文中提出的換能器在徑向諧振頻率附近的的模態(tài)和諧響應(yīng)進行了分析，接著分別分析了換能器結(jié)構(gòu)

3、中壓電振子和匹配層的尺寸參數(shù)對換能器的頻率特性和指向性的影響。此外還使用瞬態(tài)分析研究了固定激勵條件下，本結(jié)構(gòu)的換能器的靈敏度隨匹配層尺寸參數(shù)的變化情況。
　　最后制作了本文提出的換能器樣機，并測試了相關(guān)性能參數(shù)。通過和仿真分析的結(jié)果進行對比，驗證了換能器的匹配層參數(shù)對換能器阻抗曲線的影響規(guī)律。通過測試一對相同換能器一發(fā)一收時的頻率響應(yīng)曲線，分析了換能器的工作頻率、靈敏度隨匹配層尺寸參數(shù)的變化規(guī)律，同時對固定激勵下?lián)Q能器靈敏度隨匹配