ElmBridge


首页 | 产品介绍 | 用户指南 | 算例/视频 | 联系我们

超声波传感器设计教程(1)

本文目录:
引言
背衬层的影响
匹配层的影响
脉冲宽度的影响
运行Wave2000 Plus仿真模型的一些技巧

引言
本教程介绍如何使用Wave2000 Plus仿真二维压电超声波传感器(换能器)的例子。本教程中使用的一个典型的模型如下图所示。为了你的方便,本教程中讨论的所有模型可以下载,点击这里访问下载网页,请下载Download the tutorial model files下的两个文件。下载完成后,解压下载的文件,并复制模型的数据文件至Wave2000 Plus的"Data"文件夹中。如果你的电脑上还没安装Wave2000 Plus,点击这里了解如何下载及安装所需软件(使用免费评估许可证)。本文末尾有运行Wave2000 Plus仿真模型的一些技巧。对于不熟悉Wave2000或Wave2000 Plus的读者,请先阅读用户指南中的相关介绍。

在所有教程(1)的模型中,有两个相同的压电传感器工作于透射传输模式。一个在顶部的传感器是信号源,一个在底部的传感器是接收器。水填充在两个传感器之间的空间。传感器有三个组成部分:PZT-5A的压电层(2毫米厚×20毫米宽),背衬层(20毫米厚×20毫米宽),和一个匹配层(1毫米厚×20毫米宽)。背衬层的材料具有和压电层大约相同的纵向声阻抗,但具有很高的阻尼系数。匹配层是由纵向声阻抗介于水和压电层之间的材料所制,以提高耦合效率和修改所发送的超声波的形状,以及接收到的电(电压)信号的形状。在模型中,假设三个层(即,背衬层与压电层,压电层与匹配层)之间有完美的声耦合。 还假定,三个层与刚性外壳粘合,从而左右二侧没有位移。在Wave2000 Plus中,釆用平面应变假设。这就要求仿真的传感器的几何形状具有如下特征,垂直于屏幕(深度)的尺寸比其高度和宽度大很多。实践中,如果深度尺寸为宽度和高度尺寸约5倍以上,该模型将提供合理的近似。请注意,由于对称的几何形状和边界条件,只要仿真传感器模型的一半(上图右)。从垂直中线切去右半模型,然后在原中线加上无水平位移的边界条件。与完整模型比较,这种对称的利用能减少近1/2的存储器和1/2的计算时间。(对于Wave3000 Plus的3D模型而言,在两个方向的减半,节省的内存和计算时间能超过70%。)

本例仿真的瞬时快照如下图所示(为便于显示,图像逆时针旋转了90度)。

可以看出,压电层产生的波动通过匹配层、水和接收器的匹配层的传播,然后由接收器的压电层接收。在上述所示的例子中,输入电信号是一个1伏的脉冲,持续时间0.1微秒。Wave2000 Plus的接收器输出记录有一个60dB的增益。由于Wave2000 Plus是一个线性系统,按比例增加信号源的输入信号并减少接收器的增益将获得相同的结果。

背衬层,匹配层和输入脉冲宽度的形状对接收到的电信号的影响,将用Wave2000 Plus仿真模型来演示。请注意,在仿真模型中的接收到的电压信号都是在压电层开路条件下测量得到。如果需要,也可以使用压电层短路条件进行电流测量。

背衬层的影响
这里,用仿真模型研究传感器有背衬层和没有背衬层的差别。众所周知,背衬材料对传感器的阻尼特性有很大的影响。使用与压电元件阻抗接近,但具有相对高衰减量的背衬材料能产生高效的阻尼。有高效阻尼的传感器能提供更宽的带宽(更短的时间跨度)。本例的背衬层的纵向声阻抗与压电体层大约相同,但有高衰减:d(alpha)/df=15dB/cm/MHz的材料制成。背衬层的材料性能(或模型中的任何材料)是可以改变的。使用菜单命令"Wave->Material Propety”。为了演示背衬层的效果,模拟了没有背衬层(No backing)(即,背衬的空间充满着干燥空气)和有用阻尼材料做的背衬层(Backing)模型。这两个模型的接收器输出信号如下图所示:

匹配层的影响
在传感器设计中,压电层厚度通常被切削成所需波长的1/2。为了尽可能利用传感器的能量,通常在所述压电元件的前部放置一个阻抗匹配层。匹配层的厚度是所需波长的1/4时,可实现最优阻抗匹配。这样的设计使波在匹配层内反射后,当波离开该层时其相位与后续波一致。对于医疗用传感器,匹配层的声阻抗是介于压电层和水之间(名义上等于压电元件的声阻抗和水介质的声阻抗的乘积的平方根)。下面的两张图分别显示传感器无匹配层(No matching)与有一个1/4波长匹配层(1/4 matching)及一个1/2波长的匹配层(1/2 matching)的输出电信号的比较。

脉冲宽度的影响
除了背衬层和匹配层之外,输入电信号的持续时间的变化也将影响输出信号的形状。在上述所有的模型中,一个0.1微秒脉冲被施加到信号源传感器。为研究脉冲持续时间的影响,仿真了输入信号持续时间为1微秒脉冲的模型,并与0.1微秒输入脉冲的结果比较(参见下图)。

运行Wave2000 Plus仿真模型的一些技巧
为了增加高频信号的数值解精度,用户可以选择较高的网格分辨率。要更改模型的分辨率,使用菜单命令"Wave->Job Parameters"设置Point/Cycle参数。一个较大的数字意味着较高的分辨率。为了确保模型提供了一个准确的结果,用户可以尝试一些不同的分辨率。当提高分辨率后结果不改变或变化不大时,可以认为仿真结果已收敛。 (2)一些参数的改变可能使模型变得不稳定。在多数情况下,减少仿真的时间步长,可以使一个不稳定的模型稳定。要更改时间步长,使用菜单命令"Wave->Job Parameters"设置"Time Step Scale"参数。数值越小,意味着时间步长越小。一般情况下,从1开始逐步减小时间步长,例如从1至0.9,0.9至0.8。能使仿真保持稳定的最大值,是最佳的参数值。例如0.8和0.7均能使仿真稳定,那么用0.8。(3)要显示接收器的电势(电压)输出,仿真模型运行后,使用菜单命令"Tools->Receiver Plot",然后点击"Disable All"按钮。单击"Next",直到"R-Potential(E)"出现,取消"Disable"勾选,然后单击“Apply”。要保存接收器电势输出到一个文件以便进行后续处理,在运行模型之前,使用菜单命令"Wave->Electrode Configuration",单击"Next",直到"R-Potential" 的名称显示,点击勾选"Save to File",并选择要保存的文件名,然后单击"Apply",点击"OK"关闭对话页。 (4)要改变脉冲宽度,使用菜单命 令"Wave->Electrode Pair Configuration",选择"Source",点击"A-Given Potential"行右边的"Detail"键,设置所需的脉冲持续时间(Duration),单击"OK",然后"Apply"和"OK"。

下篇:超声波传感器设计教程(2)

 

© 2017 ElmBridge. All Rights Reserved