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当前页面:算例模型(9)
 
(1)引言
Wave2000模型
(2)Wave2000用户界面
(3)信号聚焦和无限边界
(4)反射,折射和模式转换
(5)探伤(裂缝反射)
(6)脉冲-回波测量多层介质
(7)检测输油管道中的裂纹
(8)超声波传感器设计教程1
(9)超声波传感器设计教程2
(10)回音壁声学原理
(A)高阶差分法
Wave3000模型
(11)带缺陷的长方体
(12)超声波在骨中传播
 
 

超声波传感器设计教程(2)

本文目录:
引言
压电层/背衬层/匹配层宽度的影响
边界条件的影响
小结
运行Wave2000 Plus仿真模型的技巧

引言
教程(1)介绍了工作在“厚度模式”中的传感器的仿真模型。当垂直于厚度方向的尺寸与厚度接近时,在“厚度模式”中通常可以忽略不计的一些影响变得重要了。在本教程中,将用Wave2000 Plus仿真模型来证明二维几何形状对传感器影响。本教程中使用的两种典型模型显示在下面的图(a)及(b)。与教程(1)一样,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模型的一些技巧。

在上图(a)和(b)所示模型中,每个模型有两个相同的传感器工作在透射传输模式。一个在顶部的是信号源,一个在底部的是接收器。水填充了两个传感器之间的空间。每个传感器有三个组成部分:PZT-5A的压电层(2毫米厚xW毫米宽),背衬层(20毫米厚xW毫米宽)和一个匹配层(1毫米厚xW毫米宽)。六个不同的W(宽度)被用来演示宽度对所接收的信号的影响。在上图中,(a)W=6毫 米,(b)W= 16毫米。在本教程中,所有模型的输入信号为1伏的脉冲,持续时间为0.1微秒。Wave2000 Plus接收器输出记录的增益是60dB。


本教程要演示的的另一个变量是边界条件。在教程(1)中,我们假定三个层被粘合到一个刚性外壳,此边界条件就是如在上图(c)所示的一个固定边界(即,分别位于信号源和接收传感器的匹配层,压电体层和背衬层左侧的红色和蓝色的细线条)。除了固定的边界条件之外,本教程还将用仿真演示自由边界条件对所接信号的影响。在本教程中,我们还是用Wave2000 Plus做仿真。如果要做3D仿真,可以用Wave3000 Plus。由于Wave2000 Plus使用平面应变,所仿真的传感器的几何形状假定满足如下特征,垂直于屏幕(深度)尺寸比其高度和宽度大很多。由于对称的几何形状和边界条件,只要仿真半个模型。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,参见上图(c)中的细绿线。

压电层/背衬层/匹配层宽度的影响
当传感器的宽度W减少,传感器的输出能量也减少。此外,波信号的形状也改变。特别是, 当的宽度和高度彼此接近时,2D的效应(即,不是单纯的“厚度模式”)需要包括在传感器的设计中。下面的两张图呈现接收到的电位信号:仿真了6个不同宽度的传感器,釆用了固定边界条件。输入信号是1伏,0.1微秒持续时间的脉冲。传感器模型的宽度是W=20,16,10,6,2和1毫米。

上面两图表明,当传感器的宽度超过10毫米时,所接收的电压大致相同。这两图也显示当宽度变小,所接收的电压降低,但也许更重要的是,波信号的形状变化显著。当传感器的宽度为10毫米或以上的,接收到的电压是相对平滑的。当传感器的宽度变小时,所接收到的电压信号的形状不再是光滑的,这可能表明多个频率分量/模态的出现。为了证明这一点,绘制了传感器宽度为20毫米和2毫米模型的电压输出的频谱,如下图所示。

上面的图清楚地显示出宽度2毫米的传感器模型具有多个频率分量。在这样的情况下,设计传感器时必须考虑2D几何形状的影响。

边界条件的影响 一个振动系统的特性是高度依赖于边界条件的。传感器通常被密封在一个坚固的外壳中,因此,某种约束通常会施加到压电层、背衬层和匹配层。为了演示边界条件对传感器的影响,在教程(2)中,采用两种极端的边界条件。设置之一是固定边界条件(Fixed BC),而另一组是自由边界条件(Free BC)。以下两图显示这两种边界条件对所接收的电压输出的影响。请记住,这些仿真模型釆用了一个较宽的传感器设计(16毫米宽)和一个较窄的传感器设计(2毫米宽),2毫米厚的压电元件。

在第一张图中,压电元件宽度为16毫米。可以看出边界条件对接收信号的早期(主要)部分的影响不大。然而,在约16微秒以后,两个信号之间的出现差别,自由边界模型显示出了低频率信号,而固定边界模型没有。这大概是由于自由边界模型产生了多模态信号。在底下的图中,压电元件的宽度为2毫米。边界条件的影响清楚地显示出来。除为最早的接收信号部分(上升沿)之外,两个输出信号很少有共同之处。 据推测,这两个信号都有高度的多模态,边界条件对这些模态都有影响。两个边界条件之间的差异也显示在频域中,如下图所示。

使用Wave2000 Plus仿真模型证明几何形状和边界条件对传感器模型的影响。模型显示,传感器的纵横尺寸比和边界条件可以影响传感器的振动特性,尤其是当元件的宽度和高度是同一量级时。本文所用的模型是二维的,这种结果是可以接收的,只要第三维尺寸远远大于元件的宽度和高度。然而,如果第三维尺寸与所考虑的模型宽度和高度相近时,需要3D模型来准确地反影3D效果。象Wave2000 Plus可以用来仿真二维问题一样,Wave3000 Plus可以用于仿真三维问题。免费评估许可证可用于运行Wave3000 Plus。点击这里了解Wave3000 Plus的下载及安装。

运行Wave2000 Plus仿真模型的技巧
(1)完成仿真后,要计算接收器输出信号的频谱,使用菜单命令"Analysis->Spectrum Plot"。要定制绘图,用鼠标在绘图窗口里面任何位置双击,显示"Plot Dialog"(绘图对话页)。要导出绘图的数据到一个文件,点击"Export"(导出)按钮,然后选择要保存的文件名,单击"Save"键。

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