雨量傳感器用壓電換能器設(shè)計(jì)仿真研究

張靈舒，王登攀，李 軍，劉 暢

(1.中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

降雨測(cè)量是氣象觀測(cè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，時(shí)刻影響著社會(huì)生產(chǎn)與日常生活，在預(yù)測(cè)天氣、防汛抗旱及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面都具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。降雨的測(cè)量宏觀量包括降雨量、降雨時(shí)間、降雨強(qiáng)度及降雨的空間分布特征等；微觀量包括雨滴的大小、形狀、速度、相態(tài)、構(gòu)成、pH值及譜分布等。在武器裝備等應(yīng)用領(lǐng)域，車載氣象傳感器與手持氣象傳感器對(duì)于雨量傳感器有較強(qiáng)的需求。目前常見的降雨測(cè)量設(shè)備主要涉及翻斗式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)、感雨器、超聲雨量傳感器、光學(xué)雨滴譜儀、視頻雨滴譜儀、聲學(xué)式雨滴頻譜儀和壓電式雨量傳感器[1]。

壓電式雨量檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量雨量和雨滴粒徑信息，檢測(cè)基礎(chǔ)是逐個(gè)測(cè)量雨滴的落地動(dòng)量，再由雨滴動(dòng)量計(jì)算雨滴的體積和等效直徑，累加后得到降雨量并統(tǒng)計(jì)雨滴譜[2]。現(xiàn)有壓電式降水測(cè)量?jī)x器存在的主要問題是難以保證對(duì)大雨、小雨及降雨微觀特征都具有較高的測(cè)量精度[3]。因此，本文首先提出一種新型換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同材料下的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行雨滴沖擊試驗(yàn)，形成一系列電壓仿真分析結(jié)果；其次分析雨滴在新型結(jié)構(gòu)表面從無到有形成水膜的電導(dǎo)及諧振頻率的變化，驗(yàn)證新型結(jié)構(gòu)拓寬雨量計(jì)對(duì)小雨量檢測(cè)的下限。

1 壓電換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

壓電換能器由金屬殼體和粘貼在金屬殼體內(nèi)部的圓形壓電陶瓷片兩部分組成。雨滴跌落到傳感器上，并與傳感器表面相互作用，金屬殼體在雨滴的沖擊下會(huì)產(chǎn)生微小的機(jī)械振動(dòng)。壓電陶瓷片在振動(dòng)時(shí)由于機(jī)械應(yīng)力的作用會(huì)在電極間產(chǎn)生電壓差，對(duì)外輸出電信號(hào)。雨滴的沖擊力越大，則振動(dòng)幅度越大，壓電換能器輸出電壓的幅值也越大。因此，通過采集壓電換能器輸出信號(hào)可以得到雨滴對(duì)傳感器表面的沖擊力，間接測(cè)量雨滴下落動(dòng)量，從而得到雨滴粒徑大小。

1.2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為傳統(tǒng)雨量傳感器核心換能結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括壓電陶瓷片、殼體和底座等。根據(jù)第1.1節(jié)的理論分析可知，該結(jié)構(gòu)主要通過檢測(cè)雨滴沖擊殼體產(chǎn)生的聲信號(hào)來實(shí)現(xiàn)雨量的檢測(cè)。該結(jié)構(gòu)采用全封閉式金屬殼封裝，抗沖擊能力強(qiáng)，因此，大雨滴檢測(cè)能力強(qiáng)。但當(dāng)雨滴過小，無法檢測(cè)其對(duì)殼體沖擊產(chǎn)生的聲信號(hào)，后端檢測(cè)系統(tǒng)將認(rèn)為此時(shí)無雨，從而引起漏報(bào)，使雨量計(jì)的檢測(cè)精度受到影響，因此需對(duì)傳統(tǒng)的雨量計(jì)換能結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高小雨滴的檢測(cè)能力，從而提高雨量計(jì)的整體精度。

圖1 傳統(tǒng)雨量傳感器核心換能結(jié)構(gòu)剖面圖

1.3 新型換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保留傳統(tǒng)換能器檢測(cè)大雨量能力的同時(shí)，提出了一種四周增加壓電雙晶片的新結(jié)構(gòu)，如圖2所示。雙晶片既可采用傳統(tǒng)的壓電陶瓷，也可采用壓電纖維復(fù)合材料，以提高檢測(cè)靈敏度。雙晶片檢測(cè)雨滴主要采用兩種方式：

1) 雨滴沖擊雙晶片直接產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)。

2) 檢測(cè)在雙晶片表面雨滴產(chǎn)生的水膜引起的阻抗特性變化。

對(duì)于阻抗特性的變化，小雨滴或霧氣都可能在雙晶片表面產(chǎn)生水膜，由于水的表面張力，在雙晶片尺寸一定的情況下，能產(chǎn)生的水膜最大厚度應(yīng)是一定的。但針對(duì)不同的雨滴粒徑，水膜從生成到達(dá)到最大厚度的過程不同，這可作為檢測(cè)雨量的參數(shù)之一，可拓寬壓電式雨量傳感器的檢測(cè)下限。

圖2 兼顧小雨滴檢測(cè)的新型換能結(jié)構(gòu)

2 新型雨量傳感器換能結(jié)構(gòu)仿真

2.1 中心部分換能結(jié)構(gòu)的仿真

為了模擬新型雨量傳感器換能結(jié)構(gòu)在雨滴沖擊下的電壓輸出，本文采用基于ANSYS的瞬態(tài)分析進(jìn)行了仿真。

首先建立有限元模型如圖3所示。其中壓電陶瓷材料選擇PZT5，單元為solid226；粘接劑選擇環(huán)氧樹脂，單元為solid186；金屬殼體選擇不銹鋼，單元為solid186。對(duì)于金屬殼體的材質(zhì)，前期經(jīng)過了基于互易原理的靈敏度仿真，不銹鋼材料與硬鋁和鈦合金等金屬的性能表現(xiàn)相當(dāng)。因此，本文選擇不銹鋼作為金屬殼體材料。

圖3 瞬態(tài)響應(yīng)分析用3D模型

圖3所示模型參考了現(xiàn)有雨量傳感器換能結(jié)構(gòu)，也是新型雨量傳感器中心部分的換能結(jié)構(gòu)，其主要用于測(cè)量大雨滴，根據(jù)文獻(xiàn)[4]報(bào)道的雨滴終速數(shù)據(jù)，分析了施加壓強(qiáng)1 270 Pa、持續(xù)時(shí)間為0.1 s時(shí)得到的電壓輸出，如圖4所示。圖中，nd1～nd4分別為對(duì)應(yīng)圓形結(jié)構(gòu)距中心0、10 mm、20 mm及30 mm位置，壓強(qiáng)面積為25 mm2。由圖4可看出，模型中nd1、nd2與nd3、nd4的輸出電壓相反。因此，如果雨滴同時(shí)作用到4個(gè)位置時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生抵消，且隨著雨滴減小，電壓輸出會(huì)相應(yīng)減小，對(duì)小雨滴測(cè)量難度較大，這也是本文提出增加外圍換能結(jié)構(gòu)的原因。

圖4 中心部分不同位置的電壓輸出

2.2 外圍壓電雙晶片換能結(jié)構(gòu)的電壓輸出仿真

對(duì)于外圍換能結(jié)構(gòu)，基于壓電陶瓷材料的壓電雙晶片是已選擇的結(jié)構(gòu)之一，壓電陶瓷片采用PZT5，單元為solid226；基板采用不銹鋼，單元為solid186，模型如圖5所示。雙晶片一端固定，分別對(duì)距固定端2.6 mm、5.2 mm、7.8 mm、10.4 mm及13 mm處施加1 270 Pa的壓強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，得到的仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。由圖可看出，隨著與固定端距離的增加，輸出電壓不斷增大，距離13 mm處輸出電壓最大，幅值可達(dá)0.25 V。

圖5 壓電雙晶片3D模型

圖6 雨滴沖擊下壓電雙晶片的電壓輸出

2.3 壓電纖維復(fù)合材料雙晶片換能結(jié)構(gòu)的電壓輸出仿真

基于壓電纖維復(fù)合材料的雙晶片也是已選擇的外圍換能結(jié)構(gòu)之一，壓電纖維采用PZT5，單元為solid226；填充材料選擇環(huán)氧樹脂，基板采用不銹鋼，單元為solid186，壓電纖維復(fù)合材料模型如圖7所示。雙晶片模型如圖8所示。雙晶片一端固定，分別對(duì)距固定端2.6 mm、5.2 mm、7.8 mm、10.4 mm、13.0 mm處施加1 270 Pa的壓強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，壓電纖維復(fù)合材料雨滴沖擊下得到的仿真數(shù)據(jù)如圖9所示。壓電纖維復(fù)合材料雙晶片雨滴沖擊下得到的仿真數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖7 壓電纖維復(fù)合材料有限元模型圖

圖8 壓電纖維復(fù)合材料雙晶片結(jié)構(gòu)有限元模型圖

圖9 壓電纖維復(fù)合材料雨滴沖擊下的電壓輸出

圖10 壓電纖維復(fù)合材料雙晶片雨滴沖擊下的電壓輸出

由圖9可看出，壓電纖維復(fù)合材料受到雨滴沖擊時(shí)，整體輸出電壓較低，最高為0.008 V；隨沖擊位置的變化規(guī)律相同，沖擊距離越遠(yuǎn)，輸出電壓越高；受到?jīng)_擊時(shí)材料需要一定的響應(yīng)時(shí)間，在沖擊(0.1 s)結(jié)束后，材料輸出較高電壓，這可能與材料本身的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)較低有關(guān)。由圖10可看出，壓電纖維復(fù)合材料雙晶片受到雨滴沖擊時(shí)，輸出電壓較高(大于1.2 V)，遠(yuǎn)高于壓電陶瓷雙晶片的輸出電壓(0.25 V)，說明其更適用于當(dāng)前結(jié)構(gòu)。由于沖擊位置的變化規(guī)律相同，沖擊距離越遠(yuǎn)，則輸出電壓越高。

對(duì)于不同的基板材料，分別仿真了不銹鋼、有機(jī)玻璃、鈦合金、玻璃鋼(GRPA)(纖維絲沿長(zhǎng)度方向)、鋁合金等，除有機(jī)玻璃輸出電壓較低外，其他材料的基板電壓輸出相當(dāng)，其原因可能是有機(jī)玻璃楊氏模量低于壓電纖維復(fù)合材料沿纖維方向的楊氏模量，而其他基板的楊氏模量均高于該復(fù)合材料。不同基板的壓電纖維復(fù)合材料雙晶片沖擊時(shí)得到的仿真數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 不同基板壓電纖維復(fù)合材料雙晶片雨滴沖擊下的電壓輸出

綜上可知，壓電纖維復(fù)合材料雙晶片結(jié)構(gòu)更適用于外圍換能結(jié)構(gòu)[5]。

2.4 壓電纖維復(fù)合材料雙晶片覆蓋水膜時(shí)的阻抗特性仿真

在圖8所示模型上方建立一層水膜模型，單元類型為fluid30，流體材料為水，分別對(duì)不同厚度的水膜進(jìn)行諧波響應(yīng)分析，得到電導(dǎo)隨水膜厚度的變化規(guī)律，如圖12所示。

圖12 電導(dǎo)隨水膜厚度的變化

由圖12可看出，在壓電纖維復(fù)合材料雙晶片表面形成厚0～1.2 mm水膜的過程中，均能捕捉到電導(dǎo)及諧振頻率的變化，在后續(xù)研究中可通過模型和算法計(jì)算出各厚度水膜形成時(shí)的累計(jì)雨量，并通過最小二乘擬合和數(shù)據(jù)庫比對(duì)等方法進(jìn)一步推算出雨滴體積。該仿真模型表明，新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓寬了檢測(cè)雨量的下限，提高了雨量計(jì)的靈敏度。

3 沖擊作用下電壓輸出的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，利用傳統(tǒng)的雨量傳感器換能結(jié)構(gòu)，在約1 m的高度用滴管產(chǎn)生的液滴模擬雨滴終速對(duì)結(jié)構(gòu)中央進(jìn)行沖擊，得到的信號(hào)輸出如圖13所示。在0.1 s附近信號(hào)峰-峰值約35 mV，與圖4中nd1在0.1 s時(shí)電壓輸出結(jié)果基本相同，由此證明本文所進(jìn)行的仿真結(jié)果具備有效性。

圖13 雨滴沖擊下電壓輸出實(shí)測(cè)值

4 結(jié)束語

本文提出了一種新型的雨量傳感器換能結(jié)構(gòu)，其中包括中心弧形結(jié)構(gòu)及外圍的雙晶片結(jié)構(gòu)。利用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)及諧波響應(yīng)分析，得到中心弧形結(jié)構(gòu)、壓電雙晶片、壓電纖維復(fù)合材料、壓電纖維復(fù)合材料雙晶片等結(jié)構(gòu)對(duì)于不同沖擊位置的電壓輸出，以及壓電纖維復(fù)合材料雙晶片對(duì)不同水膜厚度的電導(dǎo)和諧振頻率的變化情況，驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)拓寬了檢測(cè)雨量的下限，為后續(xù)精確測(cè)量雨滴粒徑提供思路。

為了驗(yàn)證仿真的有效性，對(duì)比了雨滴沖擊下中心結(jié)構(gòu)的電壓輸出的實(shí)測(cè)值和仿真值，結(jié)果基本一致，說明了本文仿真研究的有效性。

本文提出的新結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，對(duì)于新型雨量傳感器的開發(fā)具有一定的支撐作用。后續(xù)將針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化仿真技術(shù)，結(jié)合模型算法，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)雨滴沖擊下電壓輸出的精確模擬。