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雾化夹心式压电超声换能器的理论设计

机械工程与自动化 2024年第3期 78-80,82页

作者：张艳军崔奕超雷美荣王秋冬山西大同大学建筑与测绘工程学院山西大同037003 山西大同大学机电工程学院山西大同037003 山西大同大学煤炭工程学院山西大同037003

为了提高煤尘污染治理效果,设计了一种基于朗之万结构形式的夹心式压电超声换能器。主要对各部件的材料以及结构进行了设计,并利用SolidWorks软件对模型进行装配。结果显示:所设计的朗之万结构形式的压电超声换能器理论上是合理的,可为... 详细信息

为了提高煤尘污染治理效果,设计了一种基于朗之万结构形式的夹心式压电超声换能器。主要对各部件的材料以及结构进行了设计,并利用SolidWorks软件对模型进行装配。结果显示:所设计的朗之万结构形式的压电超声换能器理论上是合理的,可为煤矿雾化降尘提供借鉴。

关键词：超声雾化压电超声换能器变幅杆

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基于六端网络法的压电超声换能器优化设计

工程科学学报 2022年第5期44卷 933-939页

作者：刘世杰冯平法查慧婷冯峰清华大学深圳国际研究生院先进制造学部深圳518055 清华大学机械工程系北京100084

压电超声换能器传统四端网络设计方法忽略了压电陶瓷晶堆内部的机电耦合过程,使用该方法所设计的压电超声换能器尺寸误差大,输出的超声振幅较小.为了提高压电超声换能器尺寸设计精度、增大换能器输出的超声振幅,本文将考虑压电陶瓷晶堆... 详细信息

压电超声换能器传统四端网络设计方法忽略了压电陶瓷晶堆内部的机电耦合过程,使用该方法所设计的压电超声换能器尺寸误差大,输出的超声振幅较小.为了提高压电超声换能器尺寸设计精度、增大换能器输出的超声振幅,本文将考虑压电陶瓷晶堆内部机电耦合作用的六端网络引入到压电超声换能器的设计中,分别采用四端网络法和六端网络法设计得到两个不同尺寸的压电超声换能器A和B,通过有限元方法对比分析了两个换能器的固有频率和输出振幅,并进一步通过实验验证了设计理论与仿真分析的有效性.研究结果表明,在相同激励电压下,采用六端网络法设计得到的压电超声换能器B输出的超声振幅是换能器A输出振幅的1.5倍,六端网络法设计压电超声换能器可以提高所设计换能器的振动性能.

关键词：压电超声换能器六端网络法四端网络法有限元分析超声振幅

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压电超声换能器初级串联匹配新方法

吉林大学学报（工学版） 2009年第6期39卷 1641-1645页

作者：武剑董惠娟张松柏张广玉哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 黑龙江海事局啥尔滨船检处哈尔滨150000

在分析超声电源输出变压器的非理想性给压电超声换能器电端匹配带来不良影响的基础上,根据空芯变压器模型理论,提出了一种新型的压电超声换能器初级串联匹配法:取消常规的次级匹配电感,若由输出变压器和换能器所构成的整体负载在换能器... 详细信息

在分析超声电源输出变压器的非理想性给压电超声换能器电端匹配带来不良影响的基础上,根据空芯变压器模型理论,提出了一种新型的压电超声换能器初级串联匹配法:取消常规的次级匹配电感,若由输出变压器和换能器所构成的整体负载在换能器机械谐振频率处呈感性,则可通过在输出变压器初级串接一个合适的电容实现功放电路和其负载间的共轭匹配,反之则串联一个合适的电感。性能对比实验表明,该匹配法较传统的次级串联电感匹配法进一步提高了匹配的准确度,能量的传递效果也得到改善。

关键词：工程物理学初级串联匹配法空芯变压器模型压电超声换能器输出变压器共轭匹配

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厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展

应用声学 2022年第3期41卷 490-502页

作者：陈燕林兴国李明袁懋诞纪轩荣省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室广东工业大学机电工程学院广州510006 中广核检测技术有限公司深圳215004

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域... 详细信息

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域的应用。该换能器的关键性能指标(带宽、灵敏度)除了受到压电层的影响,还与匹配层、背衬层等无源声学材料的设计密切相关。该文综述了近年来厚度模压电超声换能器无源声学材料(匹配层、背衬层和声透镜)的研究进展,提出了当前该类材料面临的难题和解决途径,并对其未来发展方向进行了展望。

关键词：厚度模压电超声换能器匹配层背衬层声透镜

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基于AlN的压电MEMS超声换能器阵列

传感器与微系统 2022年第3期41卷 51-53页

作者：王强杨婷婷薛小斌臧俊斌张增星薛晨阳中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

针对目前超声换能器机电耦合系数较低的问题,本文设计了一种以氮化铝(AlN)为压电材料的微机电系统(MEMS)超声换能器阵列以提高机电耦合系数。在COMSOL Multiphysics中用模态分析确定了超声换能器工作在一阶模态下有最大的声场输出,并给... 详细信息

针对目前超声换能器机电耦合系数较低的问题,本文设计了一种以氮化铝(AlN)为压电材料的微机电系统(MEMS)超声换能器阵列以提高机电耦合系数。在COMSOL Multiphysics中用模态分析确定了超声换能器工作在一阶模态下有最大的声场输出,并给出了其声场传播示意图。通过对超声换能器在工作状态时的应力分析,计算出当上电极半径为空腔半径的70%时,超声换能器有最大的发射声场效率。用网络分析仪对超声换能器的阻抗曲线进行测量,从中推导出其机电耦合系数为1.6%,展现出良好的工程应用前景。

关键词：压电超声换能器有限元分析模态分析应力分析阻抗测试

基于行列寻址的压电超声换能器柔性曲面阵的研制

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微纳电子技术 2023年第5期60卷 786-792页

作者：秦芸王智豪张国军杨玉华何常德王任鑫中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051

锆钛酸铅(PZT)压电超声换能器材料由于其优异的压电性能而在微电子机械系统(MEMS)领域受到了广泛的关注。订制了边长4 cm的PZT压电陶瓷片,将压电陶瓷片与柔性印刷电路板(PCB)键合,将压电陶瓷片划成2.45 mm×2.45 mm的阵元,在沟槽内填充... 详细信息

锆钛酸铅(PZT)压电超声换能器材料由于其优异的压电性能而在微电子机械系统(MEMS)领域受到了广泛的关注。订制了边长4 cm的PZT压电陶瓷片,将压电陶瓷片与柔性印刷电路板(PCB)键合,将压电陶瓷片划成2.45 mm×2.45 mm的阵元,在沟槽内填充环氧树脂胶。将键合后的压电陶瓷片粘在曲面模具上,溅射金属形成上电极,制成14×14阵元的曲面阵,其曲率半径为10 cm。此曲面阵采用行列寻址(RCA)的方式可以在水中测到发射和接收信号,并且可以对体模进行脉冲回波成像,在超声成像领域有广阔的发展前景。制备的曲面阵可为研制直径20 cm的柱面阵提供参考。

关键词：压电超声换能器压电陶瓷片柔性印刷电路板(PCB) 曲面阵行列寻址(RCA)

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压电超声换能器阻抗特性分析与匹配设计

压电与声光 2016年第4期38卷 633-638页

作者：王玉江王志斌宋雁鹏解琨阳赵同林中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心山西太原030051 中北大学电子测试技术重点实验室山西太原030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原030051

压电超声换能器在不同的工作频率下具有不同的输入阻抗,当驱动信号源输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致无法满足换能器的功率要求,从而使其光谱衍射效率降低,影响光谱成像质量。为此对换能器阻抗频率特性的深入研究,... 详细信息

压电超声换能器在不同的工作频率下具有不同的输入阻抗,当驱动信号源输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致无法满足换能器的功率要求,从而使其光谱衍射效率降低,影响光谱成像质量。为此对换能器阻抗频率特性的深入研究,设计了一种新型宽带阻抗匹配网络。通过ADS仿真及匹配电路的测试,最终在115-180 MHz超声波频率内可使换能器的光谱衍射效率最高达70%。

关键词：压电超声换能器频率特性阻抗匹配衍射效率

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钢轨检测压电超声换能器宽频阻抗匹配研究

电子测量技术 2023年第1期46卷 57-64页

作者：王刚魏小源黄玲许子健梅潭兰州理工大学电气工程与信息工程学院兰州730050 甘肃省工业过程先进控制重点实验室兰州730050 兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心兰州730050

针对钢轨损伤检测系统中压电超声换能器与激励源存在阻抗失配,以及压电超声换能器带载后谐振频率偏移等问题,本文对压电超声换能器宽频阻抗匹配进行研究。首先,对压电超声换能器BVD模型参数进行优化。其次,基于上述模型,设计4种匹配网络... 详细信息

针对钢轨损伤检测系统中压电超声换能器与激励源存在阻抗失配,以及压电超声换能器带载后谐振频率偏移等问题,本文对压电超声换能器宽频阻抗匹配进行研究。首先,对压电超声换能器BVD模型参数进行优化。其次,基于上述模型,设计4种匹配网络,对其性能进行比较分析,从而确定最佳网络拓扑结构和参数。最后,基于一发一收实验平台,测试对比匹配前后压电超声换能器的接收信号。测试结果表明,本文设计的阻抗匹配网络可以实现对压电超声换能器的高效匹配,匹配后发射换能器有功功率平均提升了197.38%,工作带宽从1.44 kHz提升至2.22 kHz。同未匹配和传统L型匹配网络相比,本文设计的宽频阻抗匹配网络使得发射强度分别提升了61.07%和18.05%,压电超声换能器在工作带宽内均可达到良好的发射状态。

关键词：钢轨检测压电超声换能器阻抗匹配最优参数工作带宽

在役钢轨状态监测中压电超声换能器性能优化研究

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在役钢轨状态监测中压电超声换能器性能优化研究

作者：王刚兰州理工大学

学位级别：硕士

伴随着我国铁路运营里程、行车密度、列车运量的提高,对于钢轨状态实时监测技术的优化与升级迫在眉睫。压电超声换能器作为监测系统的核心部件,其工作性能将直接影响监测结果。本文立足于提高钢轨状态监测技术水平,从超声换能器“拖尾... 详细信息

伴随着我国铁路运营里程、行车密度、列车运量的提高,对于钢轨状态实时监测技术的优化与升级迫在眉睫。压电超声换能器作为监测系统的核心部件,其工作性能将直接影响监测结果。本文立足于提高钢轨状态监测技术水平,从超声换能器“拖尾”信号抑制、宽频阻抗匹配以及高压脉冲驱动三个方面展开研究,力求实现在役钢轨状态监测中压电超声换能器性能的优化。1.为了抑制超声换能器因自身特性而产生的“拖尾”信号,论文首先探索了一种拟合优化超声换能器BVD模型参数的新方法,建立了精确的BVD等效模型。其次,研究了超声换能器在不同信号激励下的发射响应,获得了最佳激励信号。依据波的叠加原理,提出了一种幅值倍增的“拖尾”抑制异相信号,并明确了信号的最佳叠加周期数,进而设计了一种激励信号与异相信号相结合的五电平激励信号。仿真与实验结果表明,采用五电平组合激励信号可以更好地抑制超声换能器的“拖尾”效应,提升超声换能器损伤检测性能。2.针对监测系统中超声换能器与激励源存在阻抗失配,以及带载后谐振频率偏移等问题,论文对宽频阻抗匹配网络进行研究。基于阻抗匹配原理设计了四种匹配网络,通过分析不同网络性能,明确了二阶L型网络为最优网络。在建立匹配网络传递函数的基础上,研究了宽频匹配的实现过程并确定了网络的最佳参数组合。钢轨一发一收平台实验结果显示,论文设计的宽频阻抗匹配网络使发射端超声换能器的有功功率、工作带宽和发射强度显著提高,超声换能器在工作带宽内均可达到良好的发射状态。3.为了实现本文设计的五电平激励信号的发射,提升超声换能器对于长距离钢轨的监测性能,论文制定了高压驱动电路设计方案。逆变电路的设计借鉴了工业领域中的多电平逆变技术,选取级联H桥拓扑结构实现五电平输出。高压输出则摒弃了脉冲变压器的设计方案,直接对高压电源进行逆变实现高压输出,使得驱动电路易于与阻抗匹配电路相结合。此外,对其他外围电路的设计过程也进行详细阐述。最终通过仿真验证了设计方案的可行性,并试制了驱动电路PCB电路板,为后续的工作奠定了硬件基础。

关键词：压电超声换能器性能优化激励信号阻抗匹配驱动电路