楊碩 汪洋 徐匡

中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一五研究所 浙江 杭州 310018

引言

水聽(tīng)器能夠?qū)⑺侣曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是聲吶的重要組成部分。而水聽(tīng)器裝配過(guò)程中需進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加保證固化完全，通過(guò)現(xiàn)有研究可知施加預(yù)應(yīng)力后容易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，嚴(yán)重的話還會(huì)對(duì)產(chǎn)品工作性能造成嚴(yán)重的影響。因此，加大對(duì)預(yù)應(yīng)力與損失監(jiān)測(cè)研究隨之顯得尤為重要。針對(duì)該內(nèi)容的研究，本文將在以往研究基礎(chǔ)上，采用壓電阻抗測(cè)試對(duì)水聽(tīng)器裝配過(guò)程中施加的預(yù)應(yīng)力值及預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行研究，進(jìn)而保證水聽(tīng)器裝配的順利進(jìn)行，并提高水聽(tīng)器的工作性能。

1 壓電傳感器的工作原理

壓電傳感器是一種自發(fā)電式的傳感器。它在外力的作用之下，會(huì)以某些電介質(zhì)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在電介質(zhì)的表面產(chǎn)生一定電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的目的。壓電傳感器是力敏感元件，將非電物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為力的參數(shù)后即可進(jìn)行測(cè)量，例如動(dòng)態(tài)壓力，振動(dòng)等，但不適用于測(cè)量靜態(tài)參數(shù)。壓電效應(yīng)是壓電陶瓷類(lèi)材料的特有屬性，表現(xiàn)為晶體受到壓力從而使晶格發(fā)生變形，表面產(chǎn)生正電荷。

壓電傳感器由于內(nèi)阻抗較高且輸出信號(hào)非常微弱，一般情況下無(wú)法直接進(jìn)行顯示、記錄。因此壓電傳感器需要測(cè)量電路的前級(jí)輸入端有足夠高的阻抗，這樣可以防止電荷的迅速泄漏從而使測(cè)量誤差變大。通過(guò)前置放大器將傳感器的高阻抗輸出變成低阻抗的輸出，并把傳感器接收的微弱信號(hào)進(jìn)行放大顯示。

壓電傳感器的電壓放大器的等效電路如下圖1所示，圖2為簡(jiǎn)化后的等效電路圖。

圖1 電壓放大器等效電路圖

圖2 電壓放大器簡(jiǎn)化后的等效電路圖

其中，Ui為放大器的輸入電壓；C=Cc+Ci；Ua=Q/Ca。

壓電傳感器電荷放大器則是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。壓電傳感器與電荷放大器的等效電路連接如下圖3所示。

圖3 電荷放大器等效電路圖

圖中晶體受壓力產(chǎn)生電荷Q，Ca是傳感器間的電容，Cc是傳感器傳輸電纜的電容，Ci是電荷放大器的輸入電容，Cf是電荷放大器的反饋電容，如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，那么輸入到放大器的電荷量為：Qi=Q-Qf

壓電傳感器在受到一定作用力時(shí)，電荷會(huì)聚集在兩個(gè)電極的表面，電荷量相同且極性相反。此時(shí)可以把它當(dāng)作一個(gè)把壓電材料作為電介質(zhì)的電容器。在實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到一定的阻力，阻力的方向會(huì)與運(yùn)動(dòng)方向相反，而阻力大小與運(yùn)動(dòng)速度成正比。黏性阻尼就是衡量這種阻力大小的系數(shù)，而機(jī)械阻抗的倒數(shù)稱(chēng)為機(jī)械導(dǎo)納[1]。

如果無(wú)源網(wǎng)絡(luò)端口上電流向量與電壓向量參考的方向一致，導(dǎo)納可定義為：

其中導(dǎo)納Y的單位為S，導(dǎo)納是個(gè)復(fù)數(shù)，實(shí)部與虛部導(dǎo)納的換算公式為：

實(shí)部G：電導(dǎo)分量（正值）

虛部B：電納分量（可正可負(fù)）

2 壓電阻抗測(cè)試的監(jiān)測(cè)過(guò)程

針對(duì)本文研究的內(nèi)容，本文將采用一維模型對(duì)壓電陶瓷和結(jié)構(gòu)件之間的相互作用進(jìn)行模擬。具體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：①試驗(yàn)設(shè)備。在試驗(yàn)設(shè)備選擇上，本文將選擇WK6500B精密阻抗分析測(cè)試儀，測(cè)量壓電陶瓷電導(dǎo)納的一套通用夾具。設(shè)備工作頻率為9KHz，只有這樣才能在提供分析數(shù)據(jù)的同時(shí)，讓基本的阻抗精確度達(dá)到正負(fù)百分之零點(diǎn)零五[2]。從電壓阻抗測(cè)試角度出發(fā)可知，在不同結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷測(cè)量頻率感應(yīng)范圍有所不同。據(jù)有關(guān)研究可知，不適用于精確監(jiān)測(cè)的頻率范圍為低于4或者是高于12KHz。基于此，在本文監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將把所有的試驗(yàn)選擇頻率范圍控制在五十到八十千赫，采用頻率點(diǎn)數(shù)為八百個(gè)，與此同時(shí)，因虛部導(dǎo)納譜對(duì)環(huán)境溫度敏感，所以監(jiān)測(cè)中將采用實(shí)部導(dǎo)納譜進(jìn)行分析[3]。②實(shí)驗(yàn)材料與試件準(zhǔn)備。在此試驗(yàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將以直徑35mm，長(zhǎng)分別為15cm、20cm、25cm的三套結(jié)構(gòu)件作為研究對(duì)象。制作相應(yīng)的應(yīng)力施加夾具，設(shè)置圓孔將結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定，方便從頂部施加應(yīng)力。本次試驗(yàn)將在某實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用專(zhuān)用的壓電傳感器，壓電陶瓷材料選用我所自制的，尺寸為Φ30*1mm。以上就是壓電阻抗測(cè)試監(jiān)測(cè)的過(guò)程，可見(jiàn)此次試驗(yàn)過(guò)程中所需要準(zhǔn)備的試驗(yàn)設(shè)備與材料較多，因此，為保證試驗(yàn)順利完成，就必須對(duì)設(shè)備使用加以重視。

3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)利用壓電阻抗測(cè)試對(duì)預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)前，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果主要可表現(xiàn)在：

3.1 壓電導(dǎo)納譜分析

根據(jù)三個(gè)結(jié)構(gòu)件各個(gè)壓電陶瓷的壓電導(dǎo)納可以了解到，三個(gè)結(jié)構(gòu)件的共振頻率將伴隨著預(yù)應(yīng)力值的提升而增加。隨著預(yù)應(yīng)力值的進(jìn)一步提升，開(kāi)始對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行壓縮，增加了結(jié)構(gòu)件的抗彎剛度，壓電陶瓷的導(dǎo)納譜也就此發(fā)生偏移。這無(wú)疑表明壓電阻抗測(cè)試可以用于結(jié)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，能夠監(jiān)測(cè)出結(jié)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力值變化及預(yù)應(yīng)力值損失。根據(jù)圖4-6結(jié)構(gòu)件的電導(dǎo)納圖可以了解到，壓電陶瓷的共振頻率偏移只能對(duì)結(jié)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力變化進(jìn)行定性描述，甚至無(wú)法做到定量描述。之所以這樣，其原因主要在于共振頻率與預(yù)應(yīng)力彼此之間有著很大的關(guān)系，要想更好的描述出共振頻率隨預(yù)應(yīng)力變化而發(fā)生的變化，就必須為預(yù)應(yīng)力與共振頻率之間建立一個(gè)數(shù)學(xué)公式關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力的預(yù)測(cè)。與此同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，水聽(tīng)器裝配完成后的預(yù)應(yīng)力值并不清晰，伴隨著結(jié)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力值因疲勞等因素造成的損失，需進(jìn)一步對(duì)預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行評(píng)估[4]?？傊?，本文不僅對(duì)預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且為預(yù)應(yīng)力損失與相對(duì)共振頻率偏移建立了數(shù)學(xué)公式關(guān)系，預(yù)測(cè)出了預(yù)應(yīng)力的具體損失。

圖4 結(jié)構(gòu)件A峰值頻段壓電陶瓷導(dǎo)納譜

圖5 結(jié)構(gòu)件B峰值頻段壓電陶瓷導(dǎo)納譜

圖6 結(jié)構(gòu)件C峰值頻段壓電陶瓷導(dǎo)納譜

3.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

在此監(jiān)測(cè)過(guò)程中為了再一次驗(yàn)證壓電阻抗技術(shù)用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力值的有效性，本文在研究中還應(yīng)用了數(shù)理統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)整個(gè)電導(dǎo)納信號(hào)在頻率范圍中的變化進(jìn)行評(píng)判。該過(guò)程中主要的評(píng)判變化指標(biāo)為RMSD，公式如下：

式中：yk為壓電導(dǎo)納譜；導(dǎo)納譜的采樣點(diǎn)數(shù)目主要為N；初始狀態(tài)下的導(dǎo)納譜為i；其他狀態(tài)下的導(dǎo)納譜為j。另外，根據(jù)以rmsd為指標(biāo)獲取到的曲線擬合圖以及rsmd偏移為指標(biāo)獲取到的曲線擬合圖可了解到，三個(gè)結(jié)構(gòu)件的RSMD正伴隨著預(yù)應(yīng)力值的不斷增加而增加，RSMD偏移值也在隨著預(yù)應(yīng)力損失的不斷提升而提高。由此可見(jiàn)，不管是預(yù)應(yīng)力值，還是RSMD都屬于強(qiáng)烈的線性關(guān)系[5]。也正是因?yàn)榇?，所以在此次監(jiān)測(cè)過(guò)程中我們可以通過(guò)壓電導(dǎo)納譜進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)分析，并且可以在分析的過(guò)程中獲取到結(jié)構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力值和預(yù)應(yīng)力損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，有關(guān)預(yù)應(yīng)力損失等各方面的研究已經(jīng)成為我國(guó)近年來(lái)關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)上述對(duì)該方面內(nèi)容的分析可知，本文主要采用的是壓電陶瓷對(duì)不同結(jié)構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的壓電阻抗進(jìn)行分析。通過(guò)上述分析我們可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)果，首先，伴隨著結(jié)構(gòu)件預(yù)應(yīng)力值的改變，監(jiān)測(cè)獲取到的壓電導(dǎo)納也將發(fā)生有規(guī)律的變化，而壓電導(dǎo)納譜峰值對(duì)應(yīng)的共振頻率也將隨著預(yù)應(yīng)力值提升而提升。其次，在應(yīng)用RSMD數(shù)理統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)整個(gè)壓電導(dǎo)納譜在頻率范圍當(dāng)中的改變進(jìn)行評(píng)判的時(shí)候可清楚了解到，預(yù)應(yīng)力與RSMD之間呈正向比例關(guān)系，也就是預(yù)應(yīng)力的提升，RSMD也會(huì)隨之提升。