PVDF压电传感器及其在液体压力激波测试中的应用研究

论文摘要

激波加工技术是在超声技术成熟的基础上提出的一种新加工技术。目前,国内外对高强度聚焦超声技术(HIFU)的研究和应用已经取得一定的成绩。HIFU的成功研制表明超声技术在医学领域已经得到很好的应用。这也为激波加工的研究提供了基础。激波加工作为一种加工手段,其加工和处理的效果和激波的性质密切相关,所以对激波特性的测试显得尤为重要。介于传统探测方法存在量程较小、操作复杂等缺点,研究一套适合激波加工的测试系统成为了激波加工课题的首要任务。本课题以非线性方程KZK为基础,对激波冲击场压力、分布、冲击波相互作用的动力学响应过程以及测试系统的影响等进行模拟计算,为试验测试提供理论依据。课题研究充分利用PVDF压电薄膜具有高介电强度、高频响、机械强度高、化学性能稳定等特性,满足具有高温、高压和高应变特性的液体压力激波的测试要求,设计了适合于液体压力激波的PVDF压电传感器,并利用Hopkinson压杆对其压电系数进行了标定,在搭建激波测试系统后对液体压力激波系统进行全面测试研究。测试结果表明:激波压力峰值将随激励电压、阵元个数增加而增大,并与聚焦形式有关;激波在传播过程中衰减现象明显,并伴有回波产生,影响激励输出;多阵元系统受各阵元参数差异的影响,激波波形相位和频率不同,叠加后应力波形成调幅状;采用阵列传感器测试,可完整构建平面和聚焦系统的激波压力分布。最后与压电陶瓷传感器进行对比测试分析,充分体现了PVDF压电传感器高频响和高稳定的特点。通过综合分析大量的试验测试结果和理论模拟数据,对液体压力激波特性有了更为直观的理解,为液体压力激波加工系统进一步研究指明方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 先进制造技术发展概述
• 1.2 激波产生方式及其在加工中的应用研究
• 1.3 液体压力激波系统
• 1.3.1 激励电源
• 1.3.2 激波发生器
• 1.3.3 控制系统
• 1.4 激波特性的测试研究
• 1.5 课题来源及其研究意义
• 1.6 本文的主要研究工作
• 第二章 液体激波压力理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 非线性理论分析
• 2.3 KZK 方程计算方法
• 2.3.1 算法流程
• 2.3.2 KZK 方程转换和边界条件
• 2.4 平面活塞声场各因素影响计算分析
• 2.4.1 衍射扩散
• 2.4.2 吸收耗散衰减
• 2.4.3 非线性影响
• 2.4.4 综合影响计算结果
• 2.5 总结分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 PVDF 薄膜的压电特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 压电效应及常见压电材料
• 3.2.1 压电效应
• 3.2.2 常见压电材料及特点
• 3.2.3 PVDF 压电薄膜主要特性
• 3.3 PVDF 压电薄膜研究现状
• 3.3.1 工业测量、自动控制方面
• 3.3.2 医用传感器
• 3.3.3 电声器件
• 3.3.4 冲击、爆炸测试领域
• 3.3.5 国内研究现状
• 3.4 PVDF 压电方程及测量原理
• 3.4.1 压电方程
• 3.4.2 PVDF 压电传感器测量模式
• 3.5 本章小结
• 第四章 PVDF 压电传感器设计及标定
• 4.1 引言
• 4.2 PVDF 压电传感器设计
• 4.2.1 PVDF 压电敏感元件设计
• 4.2.2 传感器整体结构设计
• 4.3 PVDF 压电传感器标定
• 4.3.1 标定系统原理
• 4.3.2 Hopkinson 压杆系统介绍
• 4.3.3 标定试验
• 4.3.4 错误及误差较大数据剔除
• 4.3.5 标定结果
• 4.3.6 标定实验精度改进措施
• 4.3.7 标定实验结果误差分析
• 4.4 对比实验验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 液体压力激波特性测试研究
• 5.1 引言
• 5.2 测试系统
• 5.2.1 测试系统原理
• 5.2.2 测试系统参数
• 5.3 激波衰减测试
• 5.4 激励电压影响测试分析
• 5.4.1 理论分析
• 5.4.2 测试结果及分析
• 5.4.3 单晶硅激波刻蚀速度与激波压力对比试验
• 5.5 激励时间影响测试分析
• 5.6 传感器阵列测试
• 5.6.1 单阵元平面发生器系统
• 5.6.2 单阵元聚焦发生器系统
• 5.6.3 回波现象
• 5.7 阵元个数影响测试分析
• 5.7.1 理论分析
• 5.7.2 测试结果及分析
• 5.8 压电陶瓷与PVDF 压电传感器测试结果对比分析
• 5.8.1 压电陶瓷压力测试
• 5.8.2 对比分析
• 5.9 测量误差分析
• 5.10 本章小结
• 第六章 本课题研究总结与展望
• 6.1 论文完成的主要研究工作
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 附录