3D модели ультразвуковых датчиков

Моделирование пьезопреобразователей

Для того чтобы исследовать различные идеи без дорогостоящего макетирования на первом этапе целесообразно провести расчет датчика.
    Моделирование физических процессов позволяет с большой точностью (погрешность не больше 5%) рассчитать характеристики датчика и его выходные параметры, например такие как:
  • амплитуда колебаний (перемещения);
  • резонансные частоты;
  • напряжение на пьезоэлементе и др.

Таким образом разработчик может быть более гибким на концептуальной стадии проектирования. И только после вычисления оптимальной конструкции датчика изготовить опытные образцы и провести опытные испытания. Это дает возможность значительно снизить затраты на этапе разработки и заранее предвидеть подводные камни.

Расчет пьезоэлемента

Самым сложным в расчете ультразвуковых пьезодатчиков является моделирование пьезоэлемента. Для правильного расчета пьезоэлектрического элемента требуется знать большое количество параметров пьезокерамики. На графике (рисунок 1) представлено АЧХ пьезоэлемента снятое экспериментально с помощью АЧХометра и расчетное АЧХ пьезоэлемента. Погрешность по частоте составляет 2,3 % (на первом резонансе) и 0,34 % (на втором резонансе).

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!
Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1
Рабочий режим
Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1
Первый резонанс
Второй резонанс
Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1
Рисунок 1 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента

Датчик толщины льда

Запустить
Датчик толщины льда
Остановить
Датчик толщины льда
Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 10000:1
    В задачу входило:
  • расчет резонансной частоты;
  • определение зависимости частоты от количества льда;
  • расчет паразитных колебаний в месте крепления;
  • определение области чувствительности датчика.
Добавить льда
АЧХ-1
АЧХ-2
АЧХ-3
АЧХ-4
Сравнить данные
АЧХ-5
Повторить
АЧХ-6
Рисунок 2 - Амлитудно-частотная характеристика датчика

Плотномер

Определение паразитных колебаний у плотномера.

Запустить
Плотномер
Остановить
Плотномер
Запустить
Вибратор
Остановить
Вибратор
Запустить
Возбуждающая часть плотномера
Остановить
Возбуждающая часть плотномера

Модель пьезопакета, используемого в плотномере

Запустить
Пьезостек
Остановить
Пьезостек
Запустить
Пьезостек в закреплении
Остановить
Пьезостек в закреплении

Диспергатор

Сравнение различных конструкций диспергатора. Выбор наилучшего варианта.
Модель Частота 1 резонанса f1, Гц Частота 2 резонанса f2, Гц Механическая амплитуда колебаний кончика
при f1, мкм при f2, мкм
1 первоначальная 18971 45295 36,29 24,55
2 с целым пьезоэлементом 19318 46189 42,46 28,08
3 с уменьшенной длинной груза 24697 40213 38,37 36,65
4 с увеличенным радиусом груза 19226 39691 35,25 32,11
5 с измененным концентратором 20194 48475 40,33 37,03
6 с 4 целыми пьезоэлементами 18126 43230 46,85 33,94
Диспергаторы