壓電換能器動態(tài)性能仿真研究.pdf

1、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，應用前景廣泛，越來越多的應用于天然氣流量計量領域。針對國內(nèi)天然氣管網(wǎng)中下游段的城市特別設計的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)權的氣體超聲波流量計。超聲波換能器是氣體流量計

2、中非常重要的聲電轉換器件，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)換能器的設計理論，并結合換能器的工作需求，對壓電陶瓷元件進行選材，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換能器的瞬態(tài)響應特性的影響狀況，指導換能器匹配層和背襯的設計，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，換能器接收響應特性的變化規(guī)律。
　　在換能器的設計理論和仿真分析的基礎上，對換能器的匹配層、背襯材料及其尺寸參數(shù)進行了設計，使得換

4、能器具有較高的接收靈敏度。針對換能器的高可靠性要求，還設計了換能器的強度和保護結構，包括匹配層的金屬保護薄膜、換能器的耐壓和密封結構，提高了換能器的工作可靠性。
　　對封裝完成的換能器樣機進行性能測試。換能器靈敏度和信噪比能夠達到使用要求，導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，與仿真結果進行對比，明確了溫度、