基于PVDF的次声波传感器设计

论文摘要

在声波的频段划分中,通常把频率低于20Hz的振动体发出的声波称作次声波。次声波普遍存在于工业、交通、自然及生活环境中。随着现代科学技术的发展,次声学已成为现代声学中一门新生分支学科。近几十年来,对次声波的检测取得了一定的成就,研制出了一些性能优良的次声波传感器,但也存在一些问题。例如电容式次声波传感器研究已经取得一定的进展,然而在高温、高湿及高激励的条件下检测结果会受影响。如何研究出一种新型次声波传感器,能对次声波进行有效检测,这是本研究探讨的问题。PVDF又称为聚偏氟乙烯,是一种新型的高分子压电传感材料,具有压电性能好、灵敏度高、耐腐蚀、频响宽、易加工等优点,是理想的敏感材料。本文以PVDF作为敏感材料,建立了PVDF压电薄膜的传感方程与等效模型；论述了基于PVDF的次声传感器的结构与特点、材料的选择、各部件参数确定及研制的过程,最终设计出新型的PVDF次声波传感器。此外,还研制了次声波发生器,并搭建了次声波数据采集系统。次声波发生器发出的次声波会使PVDF次声波传感器产生微弱的电荷变化,通过归一电路、高低通滤波及末级放大后得到相对理想的信号,最后在示波器中显示出来。经过测试,得出了次声波传感器的频率误差、线性度和灵敏等指标。测试结果表明,新研制的PVDF次声波传感器的可测下限频率可达3Hz,且具有结构简单、测试精准、结构轻巧和抗干扰能力强等优点,也具有较高的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究背景及意义
• 1.4 压电材料的研究现状
• 1.4.1 压电陶瓷材料
• 1.4.2 压电晶体材料
• 1.4.3 压电复合材料
• 1.4.4 压电高聚物
• 1.5 论文研究的内容
• 1.6 论文的组织结构
• 1.7 本章小结
• 第二章 PVDF次声波传感器数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 PVDF薄膜的传感原理
• 2.2.1 PVDF薄膜特性概述
• 2.2.2 敏感元件PVDF传感原理
• 2.2.3 PVDF薄膜的等效与测量电路
• 2.3 平膜片的传感数学模型
• 2.3.1 膜片概述
• 2.3.2 力学模型的建立
• 2.3.3 结构响应分析
• 2.3.4 非线性误差分析
• 2.4 小结
• 第三章 基于PVDF的次声波传感器的研制
• 3.1 引言
• 3.2 PVDF次声波传感器的结构设计
• 3.2.1 弹性元件的特性
• 3.2.2 弹性元件的材料选择
• 3.2.3 次声波传感器的结构设计
• 3.3 次声波传感器的参数设计
• 3.3.1 平膜片间填注物的确定
• 3.3.2 平膜片的参数设计
• 3.3.3 次声波传感器的安装及硅油填注
• 3.3.4 外壳参数设计
• 3.3.5 PVDF压电薄膜的参数设计
• 3.4 PVDF敏感元件的制作与粘贴
• 3.5 小结
• 第四章 数据采集处理系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 次声波发生器设计
• 4.2.1 次声波发生器原理概述
• 4.2.2 扬声器的分类与选择
• 4.2.3 次声波发生器的方案设计
• 4.2.4 次声波发生器详细设计
• 4.3 数据采集系统设计
• 4.3.1 电荷放大器DHF-6A简介
• 4.3.2 电荷放大器DHF-6A的工作原理
• 4.3.3 电荷放大电路
• 4.3.4 归一化的放大电路
• 4.3.5 高低通滤波及放大电路的设计
• 4.3.6 过载指示设计
• 4.4 小结
• 第五章 系统测试与数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 调试系统组成
• 5.3 系统调试
• 5.3.1 注意事项
• 5.3.2 测试系统线路连接
• 5.3.3 系统测试
• 5.4 数据分析
• 5.4.1 实测频率电压分析
• 5.4.2 频率误差分析
• 5.4.3 线性度和灵敏度分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文及软著