压电陶瓷阻抗分析ANSYS 程序
阻抗概念简介 大家都知道直流电路中，欧姆定律中定义的电阻R V I
= ，电阻的含义代表对电流的阻碍作用。随着学习的深入，我们知道电压不仅仅有直流电压，更多存在的是交流电压，比如家用电压220V~，变压器等等。
图 1
一般交流电压有幅值，频率，相位这些参数，如果用实数表示就是
00cos()m t v V V ω?+=+ (1) v 代表任意时刻的电压，0V 代表偏置，m V 代表幅值，2f ωπ= 代表角频率与频率有关，0? 为初始相位。
随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压
00jwt m v V V e ?+=+ (2) 其实如果只要将(2)式中实部取出来，虚部不用管，就和(1)一样了。既然(2)比(1)还要复杂，为什么还要用复数表示交流电压呢，其实这是因为复数的运算要比实数要简单许多许多。比如将两个交流电相乘（实际中可以用电子电路中乘法器实现），复数的相乘：只要将幅角相加就行了，实数就要复杂很多。
到此，我们知道了为什么要复数表示阻抗，而任何一个复数都可以用实部和虚部表示：
Z R jX =+ (3)
实部和虚部到底有什么含义呢，很多教科书说实部就是电阻，虚部是由电容产生的容抗和电感产生的感抗组成的。但大家看完这些介绍依然是云里雾里，太抽象，难以理解。实际上对于阻抗的理解就直接把其理解为电阻，阻抗就是用来阻碍电流的，比如如果我们要在1V电压施加下获得1A电流，那么我们找1Ω电阻和绝对值为1Ω的阻抗是一样的。但是用阻抗有个优点，阻抗的虚部是复数，复数不会做功不会产生能量消耗，虽然1Ω的电阻和1Ω的阻抗都能获得1A的电流，但是阻抗由于有虚部因此消耗的能量要少，如果阻抗虚部设计的大一些，实部设计的小一些，这对于节约功耗具有无比重要的意义！注意以上讨论的前提是交流电。
ANSYS获得压电阻抗
ANSYS中要输入压电单元的参数，当然自己可以慢慢用GUI输入，也可以用命令流输入，其实最简单的方法就是从网上找一个别人论文中的PZT压电参数直接用File->read input from.. 命令读取就行了，这里将参数贴在附录A.
下面开始建立模型，从最简单的板开始入手。板的尺寸为24*4*0.35 mm，这很简单用block命令或者直接GUI。
建立模型后要进行网格划分，用GUI 直观简单，MeshTool 选中长宽厚，分别设置划分个数为10*5*2，划分类型为映射网格，计算快，看起来漂亮~
图 2
施加电压要用到Coupled Field的概念，耦合场其实就是将选中的面偶合成一个量，也就是如果要对某一点施加电压，那么耦合的面都会具有所施加的电压值，这在施加电压的时候只要施加在耦合的点（ANSYS映射的原点就是耦合点，选错了点ANSYS会报
错的）上就行了。耦合的时候要用到Select->entities确定要耦合的面，否则你得一个一个的选在同一个面上的点。注意每次选完之后都要用select->everything来选中整体。
图 3
耦合完电压之后要确定分析类型（analysis type），分析类型为谐响应分析（harmonic）。然后是施加边界条件，为了求解方便，所施加的电压都是1V，如果不是1V得出来的不是阻抗，而是阻抗的倍数。
施加完电压后要确定分析的频率范围，一般压电陶瓷阻抗都在10KHz到100KHz之间，这里可以根据自己需要输入（在load step opts-> Time/Freq中输入），要选择ramp
类型否则结果不对numb of steps 选择用100步求解，没有numb of steps 会什么都
的不出来，如果有什么问题记得检查这一块。阻尼因子可以输入常量0.005，不输入也行。
查看结果在Timehist Postpro中查看，进去后电极+号添加查看节点的信息。选择Reaction Force-> Current Flow。节点号选择施加电压面耦合的点（这里为161号节点）。最后选择图像图标（图6）查看图形信息。
图 4
图 5
图 6
图 7
结果很像阻抗可惜这个不是，需要进行处理才能得到真正的阻抗。阻抗的表达式见3-41.利用这个公式在ANSYS中输入公式进行计算。阻抗的幅值和相位角这时候都可以输出来了，只要改变右上角的Amplitude或者phase angle就可以输出不同的曲线了，
当然如果要输出导纳也很简单，只要继续用ANSYS中的计算工具输入下面表达式就OK 了。
如果想要用Origin进行数据后处理，点击List Data阻抗和相位都在这里了随便怎么处理都行。
这是在GUI中获得阻抗，只要一步一步按照命令流进行翻译应该很容易获得命令流，希望有人能继续进行补充。
附录A
FINISH
/CLEAR
!------------------------------------------------Material and element-----------------------------------------------------
/PREP7
ET,1 ,SOLID5,3
ET,2 ,SOLID45
MP,DENS,1,7500 ! PZT DENSITY
MP,PERX,1,730 ! PZT PERMITTIVITY (X AND Y DIRECTION)
MP,PERZ,1,635 ! PZT PERMITTIVITY (Z DIRECTION)
MP,DENS ,2 ,1360 !Si Density 2330kg/m3
MP,EX,2 ,500E9 !Si Young's modulus = 130GPa
MP,PRXY,2, 0.17 !Si Poisson ration = 0.35
TB,PIEZ,1 ! DEFINE PIEZ. TABLE
TBDATA,16,12.7 ! E61 PIEZOELECTRIC CONSTANT
TBDATA,14,12.7 ! E52 PIEZOELECTRIC CONSTANT
TBDATA,3,-5.2 ! E13 PIEZOELECTRIC CONSTANT
TBDATA,6,-5.2 ! E23 PIEZOELECTRIC CONSTANT
TBDATA,9,15.1 ! E33 PIEZOELECTRIC CONSTANT
TB,ANEL,1 ! DEFINE STRUCTURAL TABLE
TBDATA,1,13.9E10,7.78E10,7.43E10 ! INPUT [C] MATRIX
TBDATA,7,13.9E10,7.43E10
TBDATA,12,11.5E10
TBDATA,16,2.56E10
TBDATA,19,3.06E10
TBDATA,21,3.06E10
用ANSYS 软件分析压电换能器入门 A ：分析过程基本步骤 一：问题描述（草稿纸上完成） 1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料 3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型 1：根据对称性确定待建模型的维数 2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析 4：启动ANSYS 软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型 压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D 六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。 plane13：4个节点2D 四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D 四面体耦合场单元。无实常数。 Fluid30：8个节点3D 六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。 Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X ，Y ，Z 坐标值。 6：定义材料参数 对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料： 一般使用的压电方程：e 型压电方程，因此输入的常数为 ????????? ?????? ???? ?=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655 464544 36353433 2625242322 161514131211对称 ???????? ??????????=6362 61 535251434241333231 232221131211 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ????????? ?=S S S S 3322 11εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。在ANSYS 中为XX ，YY ，ZZ ，XY ，YZ ，XZ 。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。 7：建立关键点 8：把关键点连成线
压电陶瓷阻抗分析ANSYS 程序 阻抗概念简介 大家都知道直流电路中，欧姆定律中定义的电阻R V I = ，电阻的含义代表对电流的阻碍作用。随着学习的深入，我们知道电压不仅仅有直流电压，更多存在的是交流电压，比如家用电压220V~，变压器等等。 图 1 一般交流电压有幅值，频率，相位这些参数，如果用实数表示就是 00cos()m t v V V ω?+=+ (1) v 代表任意时刻的电压，0V 代表偏置，m V 代表幅值，2f ωπ= 代表角频率与频率有关，0? 为初始相位。 随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压 00jwt m v V V e ?+=+ (2) 其实如果只要将(2)式中实部取出来，虚部不用管，就和(1)一样了。既然(2)比(1)还要复杂，为什么还要用复数表示交流电压呢，其实这是因为复数的运算要比实数要简单许多许多。比如将两个交流电相乘（实际中可以用电子电路中乘法器实现），复数的相乘：只要将幅角相加就行了，实数就要复杂很多。 到此，我们知道了为什么要复数表示阻抗，而任何一个复数都可以用实部和虚部表示： Z R jX =+ (3)
实部和虚部到底有什么含义呢，很多教科书说实部就是电阻，虚部是由电容产生的容抗和电感产生的感抗组成的。但大家看完这些介绍依然是云里雾里，太抽象，难以理解。实际上对于阻抗的理解就直接把其理解为电阻，阻抗就是用来阻碍电流的，比如如果我们要在1V电压施加下获得1A电流，那么我们找1Ω电阻和绝对值为1Ω的阻抗是一样的。但是用阻抗有个优点，阻抗的虚部是复数，复数不会做功不会产生能量消耗，虽然1Ω的电阻和1Ω的阻抗都能获得1A的电流，但是阻抗由于有虚部因此消耗的能量要少，如果阻抗虚部设计的大一些，实部设计的小一些，这对于节约功耗具有无比重要的意义！注意以上讨论的前提是交流电。 ANSYS获得压电阻抗 ANSYS中要输入压电单元的参数，当然自己可以慢慢用GUI输入，也可以用命令流输入，其实最简单的方法就是从网上找一个别人论文中的PZT压电参数直接用File->read input from.. 命令读取就行了，这里将参数贴在附录A. 下面开始建立模型，从最简单的板开始入手。板的尺寸为24*4*0.35 mm，这很简单用block命令或者直接GUI。 建立模型后要进行网格划分，用GUI 直观简单，MeshTool 选中长宽厚，分别设置划分个数为10*5*2，划分类型为映射网格，计算快，看起来漂亮~ 图 2 施加电压要用到Coupled Field的概念，耦合场其实就是将选中的面偶合成一个量，也就是如果要对某一点施加电压，那么耦合的面都会具有所施加的电压值，这在施加电压的时候只要施加在耦合的点（ANSYS映射的原点就是耦合点，选错了点ANSYS会报
1.1压电材料概述 1.1.1压电效应 1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时 发现：当 沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生变形后， 晶片上相对的两个 表面会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的力的大小有关， 这种现象称为 压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。 压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。 当对压电陶瓷施加 一个与极化方向平行的压力F ,如图1.1（ a ）所示，陶瓷片将产生压缩变形，片 内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极 上的自由电荷，有一部分被释放，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度 也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种由机械效应转 变为电效应的现象就是压电效应。 压电效应包括正压电效应和逆压电效应。 如图 所示： 图1.1压电效应示意图：（a ）正压电效应（b ）负压电效应 正压电效应：当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面 上产生 异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电 效应。 逆压电效应：当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形 变，这 种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。 1.1.2压电陶瓷的诞生与发展 具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷， 1942年美国麻省理工学院绝缘 研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电 场方向择优取第一章绪论
向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应， 从此诞生了压电陶瓷。钛酸钡（BaTiO s ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展， 它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电 性能上也有了大幅度提高。 当今广泛应用的压电陶瓷是PZT，即Pb Zr,Ti O3压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的PbZrO3 - PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（BaTiO 3）陶瓷的两倍。此外， 若在PZT的组成中加入Pb Mg - Nb O3后将形成三元系压电陶瓷，这类压电陶瓷的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。 1.2压电材料的应用 自1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来，作为压电陶瓷的应用产品，已遍及人们生活的各个方面?压电材料作为机电耦合的纽带，其应用非常广泛，下面我们来举其中几例： ①声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 ②压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索 姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20 世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。 ③压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶 瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火
试验研究 ２０１７年第３９卷第８期 收稿日期:２０１６-１１-１６ 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(６１５３３０１０) ;中国博士后基金资助项目(２０１５M５７０４０１);南京邮电大学先进技术研究院开放基金资助项目(XJKY１５００５) ;南京邮电大学科研资助项目(NY２１５０９３) 作者简介:常源隆(１９９５－) ,男,主要研究方向为结构健康监测通信作者:王 强(１９８０－) ,男,博士,副教授,主要研究方向为结构健康监测二先进智能传感技术二信号与信息处理等,wan gq ian g ＠ n j u p t．edu．cn DOI :１０．１１９７３/ws j c２０１７０８００３ 紧固件连接失效的压电阻抗监测技术 常源隆,董鸿祥,王 强 (南京邮电大学自动化学院,南京２１００２３) 摘 要:针对紧固件连接失效的压电阻抗监测方法对设备要求高且损伤判断方法不统一的问 题,推导了压电传感器电导纳实部的计算公式,根据推导结果设计了结构损伤诊断系统,研究通过压电传感器的电导纳实部的频率谱来检测紧固件连接失效的可行性.试验结果表明,根据压电传感器的电导纳实部相对变化率频谱可以准确地判断紧固件连接是否失效. 关键词:PZT 压电传感器;结构健康监测;机电耦合原理;连接失效 中图分类号:TP２１１+．４;TG１１５．２８ 文献标志码:A 文章编号:１０００-６６５６(２０１７)０８-００１１-０５ Fastener Joint Failure Monitorin g Techni q ue Usin g Piezoelectric Im p edance Method CHANG Yuanlon g ,DONG Hon g xian g ,WANG Q ian g (Colle g e of Automation ,Nan j in g Universit y of Post and Telecommunications ,Nan j in g ２１００２３,China ) Abstract :The existin g methods ado p ted to monitor the fastener j oint failure based on electromechanical im p edance method demand for hi g h q ualit y e q ui p ment．At the same time ,there was a lack of a unified method on the j ud g e of fastener j oint failure．Formulas were derived and a monitorin g s y stem was desi g ned to investi g ate the feasibilit y of a new method based on the fre q uenc y s p ectrum of the real p art of electrical admittance．The am p le evidence p resented enables us reasonabl y to conclude that fastener j oint failure can be well monitored usin g fre q uenc y s p ectrum of real p art of electrical admittance in the wa y mentioned． Ke y words :PZT actuator /sensor ;health monitorin g ;electromechanical cou p lin g p rinci p le ;j oint failure 在诸多实际工程结构, 如桥梁二航空器二汽车以及空间桁架等结构(如输电铁塔等)中,紧固件的使用是必不可少的.紧固件的松紧问题是结构完整性检查的一个重要环节,紧固件的松动可能会引起整 个机构的失效,造成灾难性的事故[ １] .目前对紧固件失效的监测已经存在大量研究:美国缅因州大学对复合材料结构中螺钉连接失效的监测进行了研究 [２] ;北京工业大学研究了螺钉松动对压 电元件特性的影响[１] ;南京航空航天大学在小型环氧板上实现了螺钉松动的实时监测[３] ;西安热工研究院 对某台兆瓦级风力机塔上的高强度螺栓进行了无损 检测,并通过渗透检测验证了检测结果的有效性[ ４] .然而,试验对损伤信息的收集多采用昂贵的网络分析仪,以较高频率(?５０kHz )进行测量;对于损伤的判断一般采用电阻抗谱的变化或通过乘法器分离所得的电导纳实部谱的变化来表征,但前者由于压电片阻 抗有效值较大而变化不明显,影响监测可靠性,后者器件相对复杂而受外界干扰严重[６-１２] 进行验证. 笔者针对紧固件失效监测中电导纳实部信息的应用,推导了压电传感器的电导纳实部信息的计算公式,采用标准化总线式模块实现了损伤诊断系统,克服了阻抗变化不明显的问题,并进行了验证试验. １ 结构损伤的压电阻抗监测技术 当对压电传感器施加一个交变电场时, 由逆压１ １
你好，我正在做一个ANSYS的压电仿真的瞬态分析，我的问题是怎么在耦合的电极上加载正弦电压载荷？ 2010-09-09 16:012405401032|分类：电脑/网络|浏览2094次 我的命令流：/filename,fengming /prep7 et,1,plane42,,,1 et,2,plane13,7,,1 MP,ex,1,9.8e10 !黄铜 MP,nuxy,1,.32 MP,dens,1,7500 mp,dens,2,7750 !PZT材料密度 mp,perx,2,919 !介电常数 mp,pery,2,826 mp,perz,2,919 tb,piez,2 !压电常数 tbdata,2,-5.3512 tbdata,5,15.784 tbdata,8,-5.3512 tbdata,10,12.295 tbdata,15,12.295 tb,anel,2,,,0 !弹性常数 tbdata,1,1.2035e11,7.509e10,7.5179e10 tbdata,7,1.1087e11,7.509e10 tbdata,12,1.2035e11 tbdata,16,2.1053e10 tbdata,19,2.1053e10 tbdata,21,2.2584e10 k,1,0,0 !建模 k,2,1e-2,0 k,3,1.5e-2,0 k,4,1.5e-2,1e-4 k,5,1e-2,1e-4
k,6,1e-2,2e-4 k,7,0,2e-4 k,8,0,1e-4 l,1,2 l,2,3 l,3,4 l,4,5 l,5,6 l,6,7 l,7,8 l,8,5 l,8,1 l,5,2 al,1,10,8,9 al,2,3,4,10 al,5,6,7,8 type,1 mat,1 mshape,0,2D mshkey,1 amesh,1,2 type,2 mat,2 mshape,0,2D mshkey,1 amesh,3 nsel,s,loc,x,1.5e-2 !位移约束d,all,ux,0 d,all,uy,0 /solu !瞬态分析antype,trans trnopt,full tintp,,0.25,0.5,0.5 outpr,all,all outres,all,all kbc,1
第30卷第1期2008年3月湖北大学学报(自然科学版)Journal of Hubei University (Natural Science )Vol.30 No.1 Mar.,2008 收稿日期:2006206202 作者简介:雷辉(19812 ),男,硕士生文章编号:100022375(2008)0120029205 用ANSYS 软件分析压电陶瓷的振动状态 雷辉,周双娥 (湖北大学数学与计算机学院,湖北武汉430062) 摘 要:近年来,压电陶瓷的应用日趋广泛.但是由于压电陶瓷片的边界条件和应力状况比较复杂,利用 传统实验手段对其研究不仅耗时费力,而且其结果具有很强的局部性,因此利用大型通用仿真软件ANSYS 8.0来进行计算机仿真.通过对压电陶瓷片中的耦合效应进行计算机模拟分析,得出压电陶瓷的振动状态图.实验结果表明ANSYS 8.0在处理压电耦合场这方面有很强的处理能力,大大简化了建模和计算,强大的后处理功能更是让研究者能够很直观地获得数据结果和模拟图像. 关键词:仿真;压电陶瓷;振动状态 中图分类号:TP302 文献标志码:A 1 引言 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础,以计算机及其相应构件为工具,通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术[1].近年来,压电陶瓷的应用日趋广泛,而在实际应用中,特别是将压电陶瓷技术应用于混凝土结构的监测中,由于压电陶瓷片的边界条件和应力状况比较复杂,利用传统实验手段对其研究不仅耗时费力 ,而且其结果具有很强的局部性[2].因此利用计算机仿真技术对压电陶瓷进行研究具有较好的理论与实际意义.本文中利用大型通用有限元分析软件ANS YS 8.0,对压电陶瓷片中的耦合效应进行模拟分析,并得出其模态和谐振态,实验表明ANS YS 8.0能很好地解决压电陶瓷片的压电耦合问题. 图1 处理器模型2 ANSYS 仿真原理 ANS YS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大 型通用有限元分析软件,由世界上最大的有限元分析软件公司之一 的美国ANS YS 开发,它能与多数CAD 软件接口,实现数据的共享 和交换.20世纪90年代该软件开始在我国的机械制造、航空航天、 汽车交通、铁道、石油化工、能源等领域得到应用,为各领域中产品 设计、科学研究作出了很大的贡献[3]. ANS YS 软件使用统一的集中式数据库来存储所有模型数据和求解结果(见图1)[4].模型数据(包括实体模型和有限元模型、材料 等)通过前处理器写入数据库;载荷和求解结果通过求解器写入数据库;后处理结果通过后处理器写入数据库. 3 处理过程 3.1 定义材料参数 材料参数包括定义单元类型,这里选取了solid226,并在它的option 选项里选择压
口互重噩圈鎏翟望量茎兰兰；茎篁二釜；：塑：文章编号：１６７１—４５９８（２０１０｝０２—０３１３—０３中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ 基于虚拟仪器技术压电器件阻抗测试分析系统 李家宽，杨惠珍，李乐 （西北工业大学航海学院，西安陕西７１００７２） 擅要：基于虚拟仪器技术设计并实现了一种新型压电器件阻抗测试分析系统；该系统以工业ＰＣ机作为控制单元，采用ＧＰＩＢ通信接口与Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ高精度阻抗分析仪进行通信，在Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶｌ开发环境下开发了测试分析软件，实现了测试数据和图形的同步显示、Ｅｘｃｅｌ数据报告生成、测试曲线保存和打印等功能，可完成对薄片、柱形和环形等多种压电器件的阻抗参数以及换能器带宽、机声效率、机电效率和电声效率的计算；实际应用表明该系统测量结果精度高、所生成的测试报告图文清晰，且操作简便快捷，提高了工作效率，具有很好的应用和推广价值。 关键词：虚拟仪器；压电器件Ｉ换能器；阻抗 ＡｎＩｍｐｅｄａｎｃｅＴｅｓｔａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔＢａｓｅｄｏｎ ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅ ＬｉＪｉａｋｕａｎ，ＹａｎｇＨｕｉｚｈｅｎ，ＬｉＬｅ （ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｘｉ’ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｍｃｔ：Ａｎｅｗｉｍｐｅｄａｎｃｅｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｆｏｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＴｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓｗｉｔｈＡｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ，ａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｍｐｅｄａｎｃｅａｎａｌｙｚｅｒ，ｂｙＧＰＩＢ．Ｔｈｅｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｕｎｎｉｎｇｉｎｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎＬａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｉｔｐｅｒｆｏｒｍｓｓｏｍｅｕｓｅｆｕｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｄｉｓｐｌａｙｉｎｇｍｅａｓ—ｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｇｒａｐｈｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙｗｉｔｈＡｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ，ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｄａｔａｒｅｐｏｒｔａｓａＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌｆｉｌｅａｎｄｓａｖｉｎｇ／ｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｓｔｇｒａｐｈ． Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ。ｕｓｅｒｓｃａｎｍｅａｓｕｒｅｋｉｎｄｓｏｆｉｍｐｅｄａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈａｐｅｓｌｉｋｅｓｌｉｃｅ，ｃｏｌｕｍｎｏｒｃｉｒｃｌｅ．Ａｎｄａｌｓｏｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｍｅｃｈａｎｏ－ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｍｅｃｈａｎｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｒｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｇｒａｐｈｓａｒｅｃｌｅａｒｉｎｔｈｅｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｒｅｐｏｒｔ，ａｎｄｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｅｌｐｆｕｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｏ引言 压电器件是产生和接收声音的主要器件，它广泛应用于功率超声、检测超声、水声等声学领域。在使用这些压电器件之前．必须精确地测量它的多种阻抗特性和参数。传统的测量方式需要多名检测人员协同操作，步骤繁琐，且测量结果还须进行后期人工处理，不仅消耗大量的人力和时间，也人为影响了检测结果的精度［１］。 本文基于虚拟仪器技术设计实现了一种新型压电器件阻抗测试分析系统。本系统以插有ＧＰＩＢ板卡的工业计算机作为控制子系统，Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ型高精度阻抗分析仪作为数据测量子系统，采用Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ虚拟仪器开发平台为用户定制了压电器件测量分析系统，实现了对不同类型压电器件参数的测量和对换能器带宽、机电效率等参数的计算和分析，以及测量数据的记录和测试报告的自动生成功能。用户只需操作界面友好的软件控制平台就可以快速完成所需的测试和分析任务，并实现测量数据、测试报告和图文报表的数字化、文档化，提高了工作效率［２］。 收稿日期：２００９一０９—１０；修回日期：２００９—１０—１５。 作者简介：李家宽（１９７９一），男，硕士生，主要从事先进控制及计算机仿真方向的研究。 杨惠珍（１９７４一），女，副教授，主要从事系统仿真理论与方法方向的研究。１系统概述 系统原理如图１所示。测试时，Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ与被测器件相连，通过ＧＰＩＢ总线接收控制计算机的测量指令，执行测量任务，并将测量数据送回控制计算机，控制计算机再按测量需求对测量数据进行整理、分析、计算、显示和保存［３］。 测试分析系统软件基于Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ｃＶｌ虚拟仪器开发平台进行开发，它是ＮＩ公司推出的一种完全标准Ｃ的软件开发环境。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了丰富的函数库，其中包含了多种通信函数，可完成数据的采集、分析、和显示等任务；拖放式用户界面编辑器和自动代码生成工具，可以自定义用户界面，生成或运行ＡｃｔｉｖｅＸ组件，并开发多线程程序。它适用于自动测试、自动控制、测试仪器通信、测试硬件控制及信号分析处理的软件开发，具有性能高、扩展性强、无缝集成、开发时间短等优点。 ２压电器件阻抗测试分析系统软件 ２．１主要功能 软件的主要功能包括：（１）对薄片形、圆环形、柱形等不同类型的压电器件的谐振频率、自由介电常数、品质冈素等多种参数的测量；（２）对换能器带宽、机电效率等参数的测量和计算；（３）实现了控制计算机与Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ测量系统的数据同步显示；（４）实现了所有测量数据的规范化存储、图形记录以及测量报告的自动生成等功能。软件的主界面如图２所示。 中华测控网 ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｒｎ 万方数据
第一章绪论 1.1压电材料概述 1.1.1压电效应 1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时发现：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生变形后，晶片上相对的两个表面会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的力的大小有关，这种现象称为压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。 压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。当对压电陶瓷施加一个与极化方向平行的压力F，如图1.1（a）所示，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应的现象就是压电效应。压电效应包括正压电效应和逆压电效应。如图所示： 图1.1 压电效应示意图:（a）正压电效应（b）负压电效应正压电效应：当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电效应。
逆压电效应：当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。 1.1.2压电陶瓷的诞生与发展 具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷，1942年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展， 它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高。 当今广泛应用的压电陶瓷是PZT ，即()3,O Ti Zr Pb 压电陶瓷，其压电效应强， 稳定性好。它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的33PbTiO PbZrO -二元系 固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（3BaTiO ）陶瓷的两倍。此外， 若在PZT 的组成中加入()3O Nb Mg Pb -后将形成三元系压电陶瓷，这类压电陶瓷 的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。 1.2压电材料的应用 自 1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来 ,作为压电陶瓷的应用产品 ,已遍及人们生活的各个方面.压电材料作为机电耦合的纽带 ,其应用非常广泛，下面我们来举其中几例： ① 声音转换器 声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。
用ANSYS软件分析压电换能器入门 A：分析过程基本步骤 一：问题描述（草稿纸上完成） 1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料 3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型 1：根据对称性确定待建模型的维数 2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析 4：启动ANSYS软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型 压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。plane13：4个节点2D四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D四面体耦合场单元。无实常数。 Fluid30：8个节点3D六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。 Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X，Y，Z坐标值。 6：定义材料参数 对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料： 一般使用的压电方程：e型压电方程，因此输入的常数为 注意！一般顺序为：XX，YY，ZZ，YZ，XZ，XY。在ANSYS中为XX，YY，ZZ，XY，YZ，XZ。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。 7：建立关键点 8：把关键点连成线 9：把线段围成面 10：通过适当的方法生成体 11：指定单元类型和材料参数 12：划分线段 13：划分体单元 14：坐标转换，（转换到柱坐标系下） 15：节点转换 三：加载约束条件 1：加载边界约束条件 2：电极上加电压 四：求解