微调通过模拟的压电传感器的设计

从您的客厅到土星的卫星，可以在各个地方找到压电传感器。这些设备紧凑，可靠和自我生成，使其对各个行业有用。为了优化这些设备的设计，重要的是要考虑所涉及的现象，例如电流，压力声学，应力 - 应变和声学结构相互作用。使用COMSOL®软件，工程师可以模拟这种多物理行为，以预测和改善压电传感器的性能。

压电传感器：突出使用压电的使用

压电传感器成立于1917年，是压电性的首次实际用途，能够将电力转化为声音或声音变成电力。几十年前（1880年代）发现了压电性。但是，当时，没有现实世界的应用，电磁主义更受欢迎，更不可能理解，无法处理。当保罗·兰格文（Paul Langevin）和他的同事创建了第一个压电传感器时，情况发生了变化。他们的设备可以产生高频的水下水下，并测量其与另一个物体之间的距离，并前进海底检测和声纳研究。

一旦发现了这一发现，压电传感器就变得越来越普遍，因为它们可以作为传感器工作以及产生和检测声波。现在，从医疗超声成像设备到笔记本电脑的廉价高音台，它们都经常发现。此外，这些传感器已被用来警告固定电话所有者，当时有传入的电话以及在石英表中保留精确的时间。其他用途包括：

• 无创医学诊断
• 焊接塑料
• 超声流量计
• 超声波停车传感器
• 非破坏性测试
• 电子鼓垫
• 清洁微系统
• 汽车的发动机管理和燃油喷射系统
• 测量设备（例如降落在泰坦的Huygens探针的渗透仪）
• 喷墨液滴执行器

超声波传感器通常用于医疗诊断设备，如此处显示的设备。Marco Verch的图像。获得许可CC由2.0， 通过Flickr Creative Commons。

很容易理解为什么这些传感器如此受欢迎：它们是简单，紧凑，可靠和高效的。即使是少量的电能也会产生很多声音（反之亦然）。更重要的是，它们既具有高频响应（使其适合超声技术），也具有高瞬态响应（这意味着它们可以迅速响应变化）。

在创建压电传感器时，了解其行为很重要。但是，由于设备的多物理性质涉及电场，结构力学和声学，这可能是一个挑战。一种解决方案是使用comsolMultiphysics®软件和附加组件声学模块…

建模超声传感器的多物理

此处出现的教程示例很简单压电传感器那可能是一个分阶段阵列传感器。由PZT-5H制成的晶体板（该设备的常见材料）是通过一系列分离为定期重复行的层形成的。下表面是接地的，上表面具有100 V的施加的AC电位。板本身是旋转的对称性，因此您可以将其模拟为2D轴对称几何形状，以进行更有效的模拟。

2D轴对称传感器模型的几何形状。

一个压电传感器通过三个耦合现象起作用：

1. 在设备上施加电压降（诱导电流）
2. 交替的电流应力（即激发）压电材料开始振动
3. 振动产生声波，向外传播

要捕获这种行为，您可以使用内置声学互动，频域多物理接口。这会自动添加静电，，，，固体力学， 和压力声学接口，可以通过应用压电效应和声学结构边界多物理耦合节点。这些物理界面共同考虑了压电效应以及如何将固体的运动转移到换能器周围的空气中。请注意，在这种情况下，激发为0.2 MHz（人类可以听到的10倍），使其成为超声传感器。

评估压电传感器的性能

首先是结果，您可以可视化流体域中的声压场。下图显示了以0.2 MHz为前面的传感器前面的产生压力波。请注意，建模域仅包含几个波长。可以使用外场计算功能，如下所示。

换能器周围空气中的声压分布，在这里以颜色和高度轮廓可视化。

此外，您可以评估诸如传感器附近的声压水平（见下图）或强度之类的数量。这表明传感器的近场定向性。如预期的那样，最大值直接位于传感器的前面。可以使用外场计算功能和辐射模式情节。

下图（右侧）显示了远场辐射模式（声压水平）。远场在数学上定义为雷利距离之外r_0 = s/\ lambda， 在哪里s是传感器区域，\ lambda是波长。对于本示例，R_0= 0.2毫米。在远处R_0，空间图案仅缩放；也就是说，由于几何扩散（无视耗散），它以6 dB的速度减小，但不会改变其形状。

左：传感器前面的声压水平分布。右：极地图中描绘的辐射模式。在这里，音压水平适用于传感器设计。

您还可以绘制声压或换能器耦合到空气的机械应力。这些曲线显示在下图中。

传感器的空气固定界面处的声压（左）和von mises应力（右）。

上面的结果直接取自压电传感器教程模型。通过几个步骤，可以扩展结果以获取更多频率，并且可以计算梁宽度。首先，通过简单地将它们添加到频率研究中的列表。归一化辐射模式可以在下面看到。要在前面标准化为0 dB，请绘制表达式acpr.efc1.lp_pext-subst（acpr.efc1.lp_pext，r，0，z，1 [mm]）。

所选三个频率的传感器的归一化辐射图。

要计算辐射场的光束宽度，您可以在辐射模式情节。在图中，只需设置计算光束宽度选项在并指定降低价值。如果您输入3 [dB]，则将同时获得零件的零对空束宽度以及表中评估的3 dB降梁宽度作为频率的函数。在表中，只需单击表图按钮生成图。在下图中，将两个光束宽度测量值描述为频率的函数。在这里，对它们进行了20个0.2 MHz和0.4 MHz之间的20个频率评估。

辐射模式的3 dB向下光束宽度和辐射模式的无效梁宽度绘制为频率的函数。

通过诸如此类的结果，工程师可以使用这些信息来研究压电传感器设计的性能，以改善它在某个领域中使用。

下一步

尝试通过单击下面的按钮对压电传感器进行建模。这将带您到应用程序库，该应用程序库包括该模型和MPH文件的分步教程。

进一步的资源

• 在Comsol博客上了解有关建模压电传感器的更多信息：乐动体育赛事播报
  • 如何将压电设备建模为发射机和接收器
  • 基准显示了压电传感器设计的有效结果
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  • Sonar系统的Tonpilz传感器阵列
  • 压电托皮斯传感器