一种谐振式声传感器的开发方法技术

本发明专利技术公开了一种谐振式声传感器的开发方法，涉及传感器开发技术领域。计算目标传感器的特定频率；根据压电晶体的静态和动态特性设计所述目标传感器的结构；通过建模和物理场仿真分析，对设计的所述目标传感器结构进行评估和修正；通过压电结构和机械结构的设计与仿真，达到降低传感器的开发难度、降低传感器研发成本的目的。发成本的目的。发成本的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种谐振式声传感器的开发方法


[0001]本专利技术涉及传感器开发
，更具体的说是涉及一种谐振式声传感器的开发方法。

技术介绍

[0002]声发射传感器(AE Sensor)由于可以接收材料或结构内部的声发射信号，因此常用于对压力容器、储罐等多种类型结构的监测工作。声发射传感器的性能直接决定了检测结果的准确率。目前在声发射信号的检测中最常用的就是谐振式声发射传感器，这也是本文所设计的传感器的基础，本文采用结构更为简单的单端传感器，更大程度上缩小传感器的体积。
[0003]作为声发射检测系统的重要组成部分，声发射传感器的性能对系统整体的检测精度产生了重要的影响。目前在工程中使用的传感器中大多将压电元件作为传感元件，使用最多的传感器元件是石英、铌酸锂等。它们的响应灵敏度更高，性能更稳定，是目前声发射传感器中常用的压电材料。
[0004]检测金属管道泄漏的场地一般都是在户外，检测时周围的噪声是不可避免的，目前市面上的低频传感器频率带都比较宽，影响了检测信号的准确性，而传统声发射传感器价格较高，易损坏也局限了声发射技术的推广使用，因此降低传感器研发成本，降低传感器的开发难度，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种谐振式声传感器的开发方法，以达到降低传感器的开发难度、降低传感器研发成本的目的。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种谐振式声传感器的开发方法，所述谐振式声传感器的开发方法包括以下步骤：
[0008]计算目标传感器的特定频率；
[0009]根据压电晶体的静态和动态特性设计所述目标传感器的结构；
[0010]通过建模和物理场仿真分析，对设计的所述目标传感器的结构进行评估和修正；
[0011]选择遗传算法进行对传感器进行多参数模型优化，将所述目标传感器与现有谐振式声发射传感器进行对比，验证所述目标传感器的性能。
[0012]所述计算目标传感器的特定频率的方法：
[0013]在现有的窄带声传感器基础上，通过计算目标传感器特定频率，在频率范围内找到共振点，利用声带凸起分布的特点对声传感器的模型进行频率限制，保留范围内的信号频率。
[0014]所述目标传感器的结构的设计方法的具体步骤为：
[0015]建立所述目标传感器的压电结构动力学模型，并且在基于正交试验的理论基础上
利用声压等级分布得到共振结构；
[0016]利用AutoCAD、SolidWorks软件绘制出具有共振结构的窄带声传感器模型；
[0017]基于数值分析设计所述目标传感器的机械结构。
[0018]所述压电结构的设计方法包括压电结构设计方法和机械结构设计方法。
[0019]所述目标传感器的压电结构的设计方法的具体步骤为：
[0020]计算得到传感器的固有频率f0，再分别计算模型刚度各影响因素的固有频率；
[0021]将每一个计算得到的固有频率与f0作比较，当忽略某一个刚度的影响因素后计算得到的固有频率与f0相差小于1％，那么该被忽略的刚度的影响因素在简化动力学模型中忽略不计；基于各影响因子之间的串联性，分析传感器各部件的受力情况确定各部件的刚度，通过拟合压电结构的法向接触刚度和切向接触刚度之间的影响关系得切向接触刚度的经验公式，并配合接触分形理论对传感器的固有频率关系进行确定；
[0022]根据压电片面积与压电结构的质量块之间的关系，先计算最小质量块体积和对应压电片面积，代入动力学模型中进行计算，得出传感器的固有频率随压电片面积的变化规律；在保证传感器的固有频率、尺寸要求基础上选择压电片的面积；
[0023]根据压电片所承载的刚度以及受到振动时的弯曲程度，确定电片的厚度；
[0024]根据压电结构动力学理论模型计算的所得数值，控制压电晶体的尺寸和压电片与接触面的接触面积；
[0025]采用逐次增加压电片厚度的方法，对比电片厚度与传感器固有频率，进而选择电片厚度。
[0026]所述机械结构设计方法的具体步骤为：
[0027]使用悬臂梁隔开底座与压电元件的直接接触；根据悬臂梁式的声传感器结构基础进行结构的改性，确定结构形式；
[0028]根据频率性能的要求，确定质量块体积与质量；根据压电片与质量块的贴合性，确定质量块与压电片的接触面积、质量块的厚度；
[0029]根据结构中插入导电片的预留空间，确定压电片与质量块相连接方式；
[0030]根据传感器受到激励时振动幅度导致的信号采集误差、底座厚度与固有频率的关系、隔绝外壳的无效应变的因素，确定的底座形式；
[0031]通过判断电荷灵敏度和电压灵敏度来分析声传感器对声波的接收；
[0032]根据绝缘套筒绝缘要求对绝缘套筒的绝缘电阻进行设计计算，确定绝缘套筒的外径尺寸。
[0033]所述建模和物理场仿真分析方法包括压电结构建模和物理场仿真分析方法、压电结构和机械结构的耦合仿真分析方法。
[0034]所述压电结构建模和物理场仿真分析方法的具体步骤为：
[0035]利用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics建立声传感器压电结构的模型，通过有限元模态分析得到在激励条件下传感器压电结构的振动变形、电势变化和力学变形形式；并且在仿真物理场中判断设计的模型与理想的性能的差距。
[0036]所述压电结构和机械结构的耦合仿真分析方法：
[0037]将传感器的机械结构和压电结构进行机电力耦合，通过仿真验证得到传感器的频率范围。
[0038]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种谐振式声传感器的开发方法，从而可以得到以下有益效果：
[0039]1、利用声带凸起分布的特点对声传感器的模型进行频率限制，提高模型在特定的频率范围内接收到信号的灵敏度，而其他频率无法接收到信号，从而保证所述目标传感器的灵敏度和抗干扰性能。
[0040]2、通过压电结构和机械结构的设计与仿真，达到降低传感器的开发难度、降低传感器研发成本的目的。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0042]图1附图为本专利技术的结构示意图。
[0043]图2附图为固有频率随压电片个数的变化规律示意图。
[0044]图3附图为本专利技术的谐振式压电声传感器的质量块形式示意图。
[0045]图4附图为本专利技术的传感器的电荷引出方式示意图。
[0046]图5附图为本专利技术的压电式传感器的底座形式示意图。
[0047]图6附图为本专利技术的压电结构的网格划分示意图。
[0048]图7附图为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于，所述谐振式声传感器的开发方法包括以下步骤：计算目标传感器的特定频率；根据压电晶体的静态和动态特性设计所述目标传感器的结构；通过建模和物理场仿真分析，对设计的所述目标传感器的结构进行评估和修正；选择遗传算法进行对传感器进行多参数模型优化，将所述目标传感器与现有谐振式声发射传感器进行对比，验证所述目标传感器的性能。2.根据权利要求1所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于，所述计算目标传感器的特定频率的方法：在现有的窄带声传感器基础上，通过计算目标传感器特定频率，在频率范围内找到共振点，利用声带凸起分布的特点对声传感器的模型进行频率限制，保留范围内的信号频率。3.根据权利要求1所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于，所述目标传感器的结构的设计方法的具体步骤为：建立所述目标传感器的压电结构动力学模型，并且在基于正交试验的理论基础上利用声压等级分布得到共振结构；利用AutoCAD、SolidWorks软件绘制出具有共振结构的窄带声传感器模型；基于数值分析设计所述目标传感器的机械结构。4.根据权利要求3所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于，所述压电结构的设计方法包括压电结构设计方法和机械结构设计方法。5.根据权利要求4所述一种谐振式声传感器的开发方法，其特征在于，所述目标传感器的压电结构的设计方法的具体步骤为：计算得到传感器的固有频率f0，再分别计算模型刚度各影响因素的固有频率；将每一个计算得到的固有频率与f0作比较，当忽略某一个刚度的影响因素后计算得到的固有频率与f0相差小于1％，那么该被忽略的刚度的影响因素在简化动力学模型中忽略不计；基于各影响因子之间的串联性，分析传感器各部件的受力情况确定各部件的刚度，通过拟合压电结构的法向接触刚度和切向接触刚度之间的影响关系得切向接触刚度的经验公式，并配合接触分形理论对传感器的固有频率关系进行确定；根据压电片面积与压电结构的质量块之间的关系，先计算最小质量块体积和对应压电片面积...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙飞飞，赵倩，王健，孙向君，沈书乾，程丽华，段志宏，
申请(专利权)人：大连民族大学，
类型：发明
国别省市：