随着人机交互技术的的发展,超声波发射器被广泛应用于三维空间定位系统中。在三维超声定位系统中,超声波发射器的发射角度决定了三维定位的覆盖面积。在三维超声定位的相关应用中,为了实现大范围的覆盖,需要传感器具有比较宽的发射、接收范围。具有大辐射角的超声波发射器在三维定位应用中是一种比较好的选择,因为可以使用很少的超声波发射器来实现对空间的覆盖,并且可以实现发射设备的小型化,降低发射设备结构的复杂度。本文针对现有的PVDF超声波发射器波束角度小的问题,研究了 PVDF压电材料及PVDF超声波发射器相关特性,完成了两种PVDF超声波发射器的结构设计、仿真分析与实验测试,实现了发射器大辐射角发射超声波及其在三维定位中的应用。主要研究内容如下:(1)基于对PVDF压电材料及PVDF超声波传感器特性的研究,为了实现超声波在垂直方向大辐射角度发射,并实现形状结构适用于电子笔中,设计了一种圆台形结构的PVDF超声波发射器。圆台形发射器由两片相同的部分圆环PVDF压电薄膜构成,设计使每部分压电薄膜包含的分子长度尽量大。仿真使用COMSOL多物理场仿真软件。构建圆台形PVDF超声波发射器的三维模型,选取底角不同的圆台形结构进行仿真,对比垂直波束角度,选取对应大垂直波束角度的发射器作为设计尺寸。仿真计算该尺寸的圆台形PVDF发射器的在不同频率下的垂直波束角度、水平波束角度和振动模式,进行研究与验证。(2)为了进一步扩大PVDF超声波发射器的发射角度,实现球面发射超声波,设计了一种双圆柱结构的PVDF超声波发射器。双圆柱超声波发射器由两片带状PVDF压电薄膜组成,薄膜围在球形基底的两条垂直交叉的凹槽中,采用胶粘的方法固定,形成了空间上两个圆柱形垂直交叉的结构。仿真使用COMSOL多物理场仿真软件。构建双圆柱结构的PVDF超声波发射器的三维模型,仿真计算在不同频率下发射器的垂直波束角度和水平波束角度,描绘三维声压的分布情况,研究验证超声波发射的性能。(3)对设计的两种结构的超声波发射器进行测量实验、对比研究。测量圆台形PVDF超声波发射器的频率响应、脉冲响应、垂直波束角度和水平波束角度。对比分析圆台形PVDF超声波发射器、圆柱形PVDF超声波发射器和压电陶瓷传感器的特性。验证了圆台形PVDF超声波发射器具有更宽的带宽和更大的超声波辐射角度。测量研究双圆柱结构的PVDF超声波发射器的频率响应、脉冲响应、垂直波束角度和水平波束角度,验证其实现了超声波的球面发射。基于双圆柱结构PVDF超声波发射器的球面发射超声波特性,辐射角度大,将双圆柱发射器改装到电子笔上,在三维超声定位系统中进行应用。本文的主要贡献和创新包括:(1)设计了一种圆台形状的PVDF超声波发射器,发射器由两片相同的部分圆环结构组成,圆台底角θ=37°,圆台顶面半径r=2mm,圆台底面半径R=10mm,圆台高度h=6mm。PVDF压电薄膜的厚度为30μm,两片薄膜的连接处的缝隙宽度为1.0mm。仿真发射器的振动模式,从仿真结果中可以看出,随着频率的增加,最大位移(DMX)从圆台的底部(最大半径对应的面)移动到顶部(最小半径对应的面)。实验测量结果显示,圆台形PVDF超声波发射器带宽为11kHz,垂直波束角度140°,水平波束角度360°。(2)设计了一种双圆柱结构的PVDF超声波发射器,发射器由两片带状PVDF压电薄膜组成,薄膜围在球形基底的两条垂直交叉的凹槽中,采用胶粘的方法固定,形成了空间上两个圆柱形垂直交叉的结构。塑料球形基底的半径r1=9mm,圆柱形PVDF压电薄膜的半径r2=7mm,球形基底上放置压电薄膜的凹槽宽度w=6mm,PVDF压电薄膜的厚度为30μm。测量结果显示,双圆柱结构的PVDF超声波发射器带宽为9kHz,垂直波束角度240°,水平波束角度360°,具有球面发射特性,适用于三维超声波定位系统,并将双圆柱PVDF超声波发射器改装到电子笔上,在三维超声定位系统中进行应用。本文设计的两种结构的PVDF超声波发射器实现了大辐射角度发射超声波,应用于三维定位系统中,能够实现设备小型化,减小定位节点的密度,降低系统复杂度和成本。