论文部分内容阅读
叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)是通过压电效应来实现声电转换的声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件,其可实现导波信号的传递和截取,早期主要用于SAW的滤波、延时、叠加等信号处理。近年来,由于具有可以设计声同步频率、频带宽度可调、插入损耗低等特点,IDT已经被广泛应用于大型工程的结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)系统中,其中,最为常见的就是基于超声兰姆波的矩形IDT,它能够实现大范围、快速检测,因此在板状结构的损伤检测中得到广泛应用。本文针对现有IDT结构带宽窄、信号发射与接收方向单一,难以附着于复杂结构表面等不足,研究一种基于介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)的变间距环形柔性IDT,具有频带宽、全方位信号采集的功能。通过有限元数值计算对聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)基底及DE基底的全方位柔性IDT进行了结构优化设计,并优选出适应于全方位柔性IDT的3D打印精密加工方法。最后对两种IDT进行了性能测试及结构健康监测初步应用。本文主要研究工作如下:(1)研究了IDT的工作原理及基本特性。为达到通过优化设计IDT的结构,提高其性能的目的,本文首先分别针对等间距和变间距IDT探究了其δ函数模型,并根据δ函数模型分别计算其响应频率。同时,分别研究了PVDF压电材料和DE材料的本构方程,分析其力电耦合关系,以合理设计该材料下的全方位柔性IDT。(2)研究了兰姆波在板结构中的传播特性,同时根据频散曲线,选择合适的IDT的频率范围。通过COMSOL Multiphysics数值仿真平台计算了PVDF和DE两种不同基底的柔性IDT的力在不同条件下的表面应力变化,研究优选出DE-IDT的最优几何参数和材料参数。(3)根据有限元优化设计结果分别采用丝网印刷和高精度电场驱动喷射沉积3D打印方法制作了环形柔性PVDF-IDT及DE-IDT,并通过实验分析了两种环形柔性IDT的驱动/传感性能。实验结果表明:PVDF-IDT具有全方位信号接收功能,但其驱动能力极弱,同时其在850~1050kHz范围内响应较好,具有宽频带的效应,可作为传感器用于信号接收。而DE-IDT测试结果表明其在低频时具有宽频带效应,可实现全方位高灵敏度的驱动和传感功能。最后将DE-IDT初步用于板结构的损伤检测中。