本文關(guān)鍵詞：壓電換能器動態(tài)性能仿真研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氣體超聲波流量計的計量精度高、量程比大、性能可靠穩(wěn)定、管道中無壓力損失,因而具有傳統(tǒng)流量計不可比擬的優(yōu)點,應(yīng)用前景廣泛,越來越多的應(yīng)用于天然氣流量計量領(lǐng)域。針對國內(nèi)天然氣管網(wǎng)中下游段的城市特別設(shè)計的50mm口徑的氣體超聲波流量計,除了要具有優(yōu)良的性能,還要有較好的經(jīng)濟性。但是,氣體超聲波流量計行業(yè)基本被國外企業(yè)壟斷,并且隨著國內(nèi)對氣體超聲波流量計需求量的急劇增大,我們有必要開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氣體超聲波流量計。超聲波換能器是氣體流量計中非常重要的聲電轉(zhuǎn)換器件,其性能參數(shù)直接影響計量儀表的整體性能。用于天然氣計量的經(jīng)濟型氣體超聲波流量計對其壓電換能器提出了自己的設(shè)計要求,因此,本課題旨在研究適用于經(jīng)濟型氣體流量計量的壓電超聲波換能器。本文首先根據(jù)換能器的設(shè)計理論,并結(jié)合換能器的工作需求,對壓電陶瓷元件進(jìn)行選材,并確定其振動模式及尺寸參數(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)有匹配層材料、直徑、厚度以及背襯厚度變化對換能器的瞬態(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,本文利用ANSYS仿真中的壓-電耦合分析、流-固耦合分析模塊,建立了對射換能器的仿真模型,分析了換能器的瞬態(tài)聲場特性、電壓響應(yīng)等,直觀的反映換能器在時域上的工作狀況。此外還分析了在不同氣體溫度或壓強下,換能器接收響應(yīng)特性的變化規(guī)律。在換能器的設(shè)計理論和仿真分析的基礎(chǔ)上,對換能器的匹配層、背襯材料及其尺寸參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計,使得換能器具有較高的接收靈敏度。針對換能器的高可靠性要求,還設(shè)計了換能器的強度和保護結(jié)構(gòu),包括匹配層的金屬保護薄膜、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。對封裝完成的換能器樣機進(jìn)行性能測試。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和使用時的必要保證。最后,通過換能器的溫度、壓力特性實驗,測試了換能器在不同溫度或壓強下的靈敏度和頻率特性,與仿真結(jié)果進(jìn)行對比,明確了溫度、壓強對換能器性能的影響。最后,論文對本課題的研究工作內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。
【關(guān)鍵詞】：壓電換能器 ANSYS仿真 瞬態(tài)特性 結(jié)構(gòu)設(shè)計
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH814
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 緒論11-22
• 1.1 超聲波流量計11-13
• 1.1.1 超聲波流量計的特點11-12
• 1.1.2 氣體超聲波流量計12-13
• 1.2 超聲波換能器13-18
• 1.2.1 超聲波換能器概述13-14
• 1.2.2 超聲波換能器的性能參數(shù)14-17
• 1.2.3 氣體壓電超聲波換能器17-18
• 1.3 經(jīng)濟型氣體超聲波流量計對壓電換能器的要求18-20
• 1.4 課題研究目的和內(nèi)容20-22
• 1.4.1 研究目的和意義20
• 1.4.2 研究內(nèi)容20-22
• 2 氣體壓電超聲波換能器理論22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 超聲理論22-27
• 2.2.1 超聲波基本物理量22-24
• 2.2.2 超聲波在介質(zhì)平面層中的傳遞24-27
• 2.3 壓電超聲波換能器的設(shè)計理論27-35
• 2.3.1 壓電陶瓷28-32
• 2.3.2 匹配層32-34
• 2.3.3 背襯34-35
• 2.4 本章小結(jié)35-36
• 3 基于ANSYS的氣體壓電超聲換能器的瞬態(tài)特性研究36-70
• 3.1 引言36
• 3.2 ANSYS用于換能器分析及其理論基礎(chǔ)36-37
• 3.2.1 ANSYS在換能器分析中的應(yīng)用36-37
• 3.2.2 有限元方法的數(shù)理基礎(chǔ)37
• 3.2.3 瞬態(tài)動力學(xué)分析的有限元方程37
• 3.3 瞬態(tài)分析模型的建立37-43
• 3.3.1 幾何模型37-39
• 3.3.2 有限元模型39-41
• 3.3.3 求解分析41-42
• 3.3.4 瞬態(tài)特性分析的步驟42-43
• 3.4 匹配層對換能器瞬態(tài)特性的影響研究43-59
• 3.4.1 匹配層材料1的瞬態(tài)特性研究43-55
• 3.4.2 匹配層材料2的瞬態(tài)特性研究55-56
• 3.4.3 不一致匹配層厚度的瞬態(tài)特性研究56-59
• 3.5 背襯對換能器瞬態(tài)特性的影響研究59-62
• 3.6 不同氣體溫度、壓強下的換能器特性研究62-68
• 3.6.1 不同溫度、壓強下的空氣密度與聲速62-66
• 3.6.2 不同壓強下的換能器特性研究66-67
• 3.6.3 不同溫度下的換能器特性研究67-68
• 3.7 本章小結(jié)68-70
• 4 氣體壓電超聲波換能器樣機的設(shè)計與測試70-88
• 4.1 引言70
• 4.2 換能器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計70-72
• 4.2.1 壓電陶瓷70
• 4.2.2 匹配層70-72
• 4.2.3 背襯72
• 4.3 換能器的可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計72-75
• 4.4 換能器的性能參數(shù)測試75-82
• 4.4.1 靈敏度測量75-76
• 4.4.2 導(dǎo)納特性測試76-78
• 4.4.3 信噪比測試78-79
• 4.4.4 性能一致性79-82
• 4.5 不同溫度、壓強下的換能器特性測試82-87
• 4.5.1 壓強特性實驗82-84
• 4.5.2 溫度特性實驗84-87
• 4.6 本章小結(jié)87-88
• 5 總結(jié)與展望88-90
• 5.1 論文總結(jié)88-89
• 5.2 論文展望89-90
• 參考文獻(xiàn)90-93

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 袁偉良,梁昌洪;理想匹配層的性能分析與改進(jìn)[J];微波學(xué)報;1999年04期

2 唐義政,俞宏沛,溫寧,李建成;換能器輻射阻抗變化對匹配層參數(shù)的影響[J];應(yīng)用聲學(xué);2002年06期

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5 李s

本文編號：303693