耐高温型空气耦合式超声换能器的优化设计

作     者：许鑫虎 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王小杰;张亮

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超声流量计 耐高温 超声换能器 匹配层 灵敏度 

摘      要：随着碳排放交易市场的全面启动,碳交易涉及资金非常巨大。排放端直接测量的精度直接关系到企业的切身利益。烟气超声流量计作为排放端直接测量的主要仪器候选,工作温度较高。超声换能器是烟气超声流量计能否实现高温工作的重要元件。本文针对应用于烟气流量计的耐高温型的空气耦合式超声换能器进行了优化设计。主要研究内容如下: (1)针对压电式超声换能器的基本理论进行了系统性分析。基于超声换能器的声场特性、指向特性、超声换能器的声阻抗与电阻抗匹配、超声换能器在高温空气中的衰减等理论,提出了提高换能器灵敏度的必要性。为后续耐高温型空气耦合式超声换能器的优化设计奠定了理论基础。 (2)选用了PZT-5G压电陶瓷作为高温使用的压电元件。并使用有机硅基质代替传统环氧树脂与中空玻璃微珠的混合制备匹配层,以实现匹配层在高温中的应用。优化后的匹配层达到1.07 MRayl的声阻抗与0.41 d B/mm的声衰减系数。采用了有限元仿真对匹配层厚度进行了优化设计。机械结构主要采用了预应力螺栓代替粘连层对匹配层与压电元件进行夹持,解决了高温粘连层难以应用的问题。 (3)针对压电元件加装了机械结构后机械参数的变化进行测试,品质因数与谐振频率都产生一定下降。接着对超声换能器的发射与接收的声学性能进行了测试。结果表明优化设计的超声换能器的发射灵敏度与接收灵敏度相比于商用超声换能器分别提高了38%与24%。通过在发射换能器与激励源之间加装LC型匹配电路,接收幅值在原有的基础上又增加了22%。 (4)将优化设计的超声换能器进行了实际验证。将自研超声换能器与商用换能器分别模拟200摄氏度高温工况的实验,通过对比证明了优化设计后的超声换能器具有良好的耐温性能。实流校准实验证明了优化设计的超声换能器作为超声流量计的传感器具有1.9%的示值误差,具有较高的测量精准度。