壓電換能器動(dòng)態(tài)性能仿真研究.pdf_第1頁(yè)
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1、氣體超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度高、量程比大、性能可靠穩(wěn)定、管道中無(wú)壓力損失,因而具有傳統(tǒng)流量計(jì)不可比擬的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景廣泛,越來(lái)越多的應(yīng)用于天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域。針對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣管網(wǎng)中下游段的城市特別設(shè)計(jì)的50mm口徑的氣體超聲波流量計(jì),除了要具有優(yōu)良的性能,還要有較好的經(jīng)濟(jì)性。但是,氣體超聲波流量計(jì)行業(yè)基本被國(guó)外企業(yè)壟斷,并且隨著國(guó)內(nèi)對(duì)氣體超聲波流量計(jì)需求量的急劇增大,我們有必要開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣體超聲波流量計(jì)。超聲波換能器是氣體流量計(jì)

2、中非常重要的聲電轉(zhuǎn)換器件,其性能參數(shù)直接影響計(jì)量?jī)x表的整體性能。用于天然氣計(jì)量的經(jīng)濟(jì)型氣體超聲波流量計(jì)對(duì)其壓電換能器提出了自己的設(shè)計(jì)要求,因此,本課題旨在研究適用于經(jīng)濟(jì)型氣體流量計(jì)量的壓電超聲波換能器。
  本文首先根據(jù)換能器的設(shè)計(jì)理論,并結(jié)合換能器的工作需求,對(duì)壓電陶瓷元件進(jìn)行選材,并確定其振動(dòng)模式及尺寸參數(shù)。根據(jù)超聲波在匹配層介質(zhì)中的傳遞和透射情況,得到了理想聲學(xué)匹配情況下的匹配層聲阻抗值和厚度。
  然后,為了研究現(xiàn)有

3、匹配層材料、直徑、厚度以及背襯厚度變化對(duì)換能器的瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響狀況,指導(dǎo)換能器匹配層和背襯的設(shè)計(jì),本文利用ANSYS仿真中的壓-電耦合分析、流-固耦合分析模塊,建立了對(duì)射換能器的仿真模型,分析了換能器的瞬態(tài)聲場(chǎng)特性、電壓響應(yīng)等,直觀的反映換能器在時(shí)域上的工作狀況。此外還分析了在不同氣體溫度或壓強(qiáng)下,換能器接收響應(yīng)特性的變化規(guī)律。
  在換能器的設(shè)計(jì)理論和仿真分析的基礎(chǔ)上,對(duì)換能器的匹配層、背襯材料及其尺寸參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),使得換

4、能器具有較高的接收靈敏度。針對(duì)換能器的高可靠性要求,還設(shè)計(jì)了換能器的強(qiáng)度和保護(hù)結(jié)構(gòu),包括匹配層的金屬保護(hù)薄膜、換能器的耐壓和密封結(jié)構(gòu),提高了換能器的工作可靠性。
  對(duì)封裝完成的換能器樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。換能器靈敏度和信噪比能夠達(dá)到使用要求,導(dǎo)納曲線表征了換能器的頻率特性,性能一致性是換能器配對(duì)和使用時(shí)的必要保證。最后,通過(guò)換能器的溫度、壓力特性實(shí)驗(yàn),測(cè)試了換能器在不同溫度或壓強(qiáng)下的靈敏度和頻率特性,與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,明確了溫度、

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