面内扭转压电圆片谐振器及其在液体粘度测量中的应用

摘要

近年来，压电扭转谐振器在精密传感器和先进致动器领域获得了广泛应用，如超声马达、压电泵、光学扫描器、粘度计和能量回收装置等。现有的压电扭转谐振器结构上绝大多数是细长圆柱型的，产生的扭转应力波沿着长度方向传播，本文提出一种基于螺旋叉指电极的压电圆片扭转谐振器，其可以有效产生沿径向传播的面内扭转应力波，具有结构简单、加工便捷、性能稳定等优点。同时本文进一步探索这种圆片扭转谐振器在液体粘度测量领域的应用，鉴于其具有体积小、结构简单、价格便宜、可实现在线测量等优势，有望成为便携式粘度计领域的有力竞争者。
　　本文首先研究螺旋电极式压电谐振器的工作原理，提出等螺旋角和等电极间隔两种基本形式的螺旋电极式压电谐振器，基于压电方程推导其静态扭转位移和扭转角，研究螺旋角α和等距螺旋线的起始半径b值对其扭转位移输出特性的影响，推导其振动的特征方程，建立动态等效电路模型。然后探究复杂极化情况下有限元压电耦合分析方法，仿真研究电场的不一致分布特性、静态扭转位移特性和谐响应特性，并实际制作螺旋电极式压电谐振器，进行电学导纳和多普勒测试，并将实验结果与仿真结果做对比。最后研究基于阻抗分析的粘度测量方法，制作粘度计原型机，在甘油水溶液中测试对粘度计进行了稳定性和线性度测试。实验结果表明:边缘固定状态下，施加峰峰值为400Vp-p频率为1Hz的正弦电压激励，测得等螺旋角和等电极间距压电谐振器在r=6mm处的静态扭转角分别为0.00458°和0.00605°，多普勒测振仪扫频测得一阶扭转谐振频率分别是86.0 kHz和84.4 kHz。粘度计在28℃甘油水溶液中，动态电阻R2与粘度和密度乘积的平方根√ρμ的关系满足y=19.23x，其R-square是0.997，谐振频率漂移△f与√ρμ的关系满足y=-42.34x-272.6，其R-square是0.9763。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 扭转谐振器的分类与发展

1．3 流体粘度计的分类与发展

1．3．1 流体粘度的概念基础

1．3．2 流体粘度计的分类与发展

1．4 本文选题的意义与论文结构

第二章 螺旋电极式压电扭转谐振器

2．1 螺旋电极式压电扭转谐振器的原理

2．1．1 螺旋电极的结构形式

2．1．2 螺旋电极式压电扭转谐振器的静态分析

2．1．3 螺旋电极式压电扭转谐振器的面内扭转振动模态

2．2 螺旋电极式压电扭转谐振器的有限元仿真分析

2．2．1 ANSYS有限元仿真分析步骤与方法优化

2．2．2 ANSYS有限元仿真结果

2．3 螺旋电极式压电扭转谐振器的加工与测试

2．3．1 样机制作

2．3．2 电学阻抗测试

2．3．3 位移特性测试

2．4 本章小结

第三章 阻抗法粘度测量原理及其实验

3．1 压电谐振器的机械阻抗特性

3．1．1 流体剪切波传播特性

3．1．2 谐振器的机械阻抗特性

3．2 压电谐振器的电学阻抗集总参数模型

3．2．1 无负载时，压电谐振器的集总参数模型

3．2．2 有负载时，压电谐振器的集总参数模型

3．3 木几械阳精与申学阳精的美系

3．4 等效电学参数的计算方法

3．4．1 直接计算等效电学参数的方法

3．4．2 导纳圆法计算等效电学参数

3．5 粘度计样机的制作与实验配置

3．6 基于阻抗法的粘度测量实验

3．7 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 全文总结

4．2 研究展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果