comsolmultiphysics压电传感器声场仿真及应用【字数：11306】
在当今社会，信息技术日益凸显其重要地位。它包含了三种技术支柱分别是传感器技术、通信技术和计算机技术，这些技术构成了我们现在所熟悉的信息系统。这些技术又分别对应了系统中的“感觉器官”、“神经器官”和“大脑器官”。所以，传感器技术是现代信息社会的重要根基。而且，传感器又是系统与外界交互的首要部件。但是，就当前而言不管外国还是本国，传感器这项技术都比其他信息系统中的技术还要落后，根本达不到现在信息系统的要求。尽管计算机与网络技术已经有较高的成绩，但是对于计算机而言，它的信息输入方面仍不能与其发展相适应。这部分的不先进造成了计算机的效率降低。所以，要想提高信息系统的水平，还是得依赖于传感器技术。本课题基于COMSOL Multiphysics软件，对压电传感器进行建模与仿真，获取与学习这方面的理论知识，为实物的生产和改进提供有效的理论依据。压电式传感器，是一种基于压电效应的传感器。它是由压电材料充当敏感元件，受力在表面会产生电荷。传感器会输出电量，电量的输出与所受外力成正比，可用来测量力变换为电的非电物理量。其具有较宽的频带、高度的灵敏、结构简单、轻便等。关于本课题所研究的知识，它能够为压电式传感器的实物制造与改进节省巨大的成本，对于国家的现代化信息技术发展，在传感器方面提供有利的仿真依据。
Key words：Sensor technology; Piezoelectric sensor; COMSOL Multiphysics; Simulation and Application 目 录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景与意义 1
1.2课题的研究现状 1
1.3本文的主要工作和内容安排 2
2.COMSOL Multiphysics软件简介 4
3.压电传感器简介 6
3.1压电效应 6
3.2压电材料 7
4.压电传感器仿真 8
4.1模型定义 8
4.2图形用户界面建模 9
4.2.1模型导航窗口 9
4.2.2标量变量 10
4.2.3几何建模 10
4.2.4求解域设定—压电轴对称 10
4.2.5边界条件—压电轴对称 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1
4.2.6求解域和边界条件设定—声压 12
4.2.7网格生成和计算解 12
4.2.8后处理与可视化 13
4.3后处理结果 14
5.表面声波（SAW）气体传感器仿真 17
5.1引言 17
5.2模型定义 17
5.3图形用户界面建模 19
5.3.1模型导航视窗 19
5.3.2几何建模 20
5.3.3选项和设置 20
5.3.4物理量设置 21
5.3.5网格生成 22
5.3.6计算解 23
5.3.7后处理和可视化 24
5.4没暴露在气体中的传感器 24
5.4.1求解域设置 24
5.4.2边界条件和求解 25
5.4.3后处理和可视化 26
5.5暴露在气体的传感器 27
5.6结果 28
6.总结与展望 30
参考文献 31
致谢 32
1.绪论
1.1课题的研究背景与意义
随着高新技术的发展，时代开始进入信息化。在对信息采取运用时，我们首要解决的问题就是信息的可靠性，获取信息的手段不外乎就是传感器。
现代工业生产中，通常利用传感器来对生产环节进行监视和控制，使设备正常工作。因此，没有这些功能强大的传感器，也不会有今天的工业成果。
传感器技术是基础学科中重要的一门学科。随着现代科学技术的发展，研究已经进入了更多的新领域：比如宏观上：数十万年的天体演化要如何观察？微观上： 纳米的粒子世界要如何探索？还有如超高温、超强磁场、超弱磁场等技术的研究。想要探求这些我们平常难以想象的领域只能通过传感器给我们传递信息，从而认识它们。当我们进行大量的研究时，可能遇到的首要问题是研究对象的信息获取非常困难。这时，如果我们采用一些先进机理和高度灵敏的传感器，那么在一定程度上会给予我们一些新的发现。所以人们常说，边缘学科往往都随着传感器的发展而诞生。
传感器早已渗透到我们的日常生活中，例如遥感技术、深海探测、太空遨游、甚至医学检查等等。由此可见，它在经济发展和社会进步方面具有重要作用。现在，世界上各个国家都加大对传感器技术的研究。在不远的将来，传感器技术将会出现一次重大的飞跃，达到新水平。
在所有的传感器中，压电传感器具有较宽的频带、灵敏度高、高的信噪比、重量轻等优点。
1.2课题的研究现状
我国的压电传感器技术明显落后于世界先进水平，从70年代以来，压电传感器方面的研究主要是为了适应航空航天技术发展的需求。后来，国民经济步入了快速发展阶段，现代化的测量技术要求越来越高。与发达国家相比，我们国家的技术起步太晚，技术基础薄弱。目前，国内仅有一家压电集成电路类型的加速计厂家，不能自主研发，完全依赖于国外厂家提供内装微电子电路。国内的传感器智能方面的研究单位主要有：北京大学计算机科学技术系；中国科技大学电子科学自动化系；中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室等。
然而当我们正在进行经典类型的传感器开发、研制及其推广应用时，由于信息技术的飞速发展，国外的科学家又在传感器智能化方面提出了新的课题、新的任务和新的方向。在美国国家仪器有限公司的倡导下，目前全球领先的16家传感器生产商与美国国家仪器有限公司开展了即插即用智能传感器计划的合作，他们早已开始向市场供应或研制符合即插即用传感器或智能传感器。许多公司取得了丰硕的成果。信息技术、知识经济的发展造就了智能传感器的发展。
当今各个国家压电传感器的研究领域十分广泛，归纳起来主要有以下几点：
小型化。重量轻、体积小、高度分辨率，能够安装在许多场所，体型小的优点对周围元件影响也比较小。
集成化。其他传感器与压电传感器集成为模块，方便测量与控制。
智能化。由于添加了微处理器在集成电路中，具有通讯、自诊、逻辑判断等功能。
系统化。单一类型的产品在市场上根本没有强大的竞争力。失去市场，发展就会受阻，提高了产品成本。
1.3本文的主要工作和内容安排
第一章介绍本课题的研究背景和重要意义，简述国内外发展的现状，压电传感器的仿真。并且在此基础上，研究它在工业上的应用—表面声波气体传感器。
第二章介绍COMSOL Multiphysics软件。
第三章主要介绍压电传感器方面知识。
第四章主要内容基于COMSOL Multiphysics压电传感器声场仿真及应用，利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对压电铌酸锂晶片进行有限元仿真分析，基于压电模块，对换能器的压电晶片进行了瞬态分析。
单个晶体板单元是轴对称的，使用COMSOL Multiphysic里的2D轴对称应用模式模拟；
获得空气区域的压力分布。
分析远场的分布结果。
Key words：Sensor technology; Piezoelectric sensor; COMSOL Multiphysics; Simulation and Application 目 录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景与意义 1
1.2课题的研究现状 1
1.3本文的主要工作和内容安排 2
2.COMSOL Multiphysics软件简介 4
3.压电传感器简介 6
3.1压电效应 6
3.2压电材料 7
4.压电传感器仿真 8
4.1模型定义 8
4.2图形用户界面建模 9
4.2.1模型导航窗口 9
4.2.2标量变量 10
4.2.3几何建模 10
4.2.4求解域设定—压电轴对称 10
4.2.5边界条件—压电轴对称 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1
4.2.6求解域和边界条件设定—声压 12
4.2.7网格生成和计算解 12
4.2.8后处理与可视化 13
4.3后处理结果 14
5.表面声波（SAW）气体传感器仿真 17
5.1引言 17
5.2模型定义 17
5.3图形用户界面建模 19
5.3.1模型导航视窗 19
5.3.2几何建模 20
5.3.3选项和设置 20
5.3.4物理量设置 21
5.3.5网格生成 22
5.3.6计算解 23
5.3.7后处理和可视化 24
5.4没暴露在气体中的传感器 24
5.4.1求解域设置 24
5.4.2边界条件和求解 25
5.4.3后处理和可视化 26
5.5暴露在气体的传感器 27
5.6结果 28
6.总结与展望 30
参考文献 31
致谢 32
1.绪论
1.1课题的研究背景与意义
随着高新技术的发展，时代开始进入信息化。在对信息采取运用时，我们首要解决的问题就是信息的可靠性，获取信息的手段不外乎就是传感器。
现代工业生产中，通常利用传感器来对生产环节进行监视和控制，使设备正常工作。因此，没有这些功能强大的传感器，也不会有今天的工业成果。
传感器技术是基础学科中重要的一门学科。随着现代科学技术的发展，研究已经进入了更多的新领域：比如宏观上：数十万年的天体演化要如何观察？微观上： 纳米的粒子世界要如何探索？还有如超高温、超强磁场、超弱磁场等技术的研究。想要探求这些我们平常难以想象的领域只能通过传感器给我们传递信息，从而认识它们。当我们进行大量的研究时，可能遇到的首要问题是研究对象的信息获取非常困难。这时，如果我们采用一些先进机理和高度灵敏的传感器，那么在一定程度上会给予我们一些新的发现。所以人们常说，边缘学科往往都随着传感器的发展而诞生。
传感器早已渗透到我们的日常生活中，例如遥感技术、深海探测、太空遨游、甚至医学检查等等。由此可见，它在经济发展和社会进步方面具有重要作用。现在，世界上各个国家都加大对传感器技术的研究。在不远的将来，传感器技术将会出现一次重大的飞跃，达到新水平。
在所有的传感器中，压电传感器具有较宽的频带、灵敏度高、高的信噪比、重量轻等优点。
1.2课题的研究现状
我国的压电传感器技术明显落后于世界先进水平，从70年代以来，压电传感器方面的研究主要是为了适应航空航天技术发展的需求。后来，国民经济步入了快速发展阶段，现代化的测量技术要求越来越高。与发达国家相比，我们国家的技术起步太晚，技术基础薄弱。目前，国内仅有一家压电集成电路类型的加速计厂家，不能自主研发，完全依赖于国外厂家提供内装微电子电路。国内的传感器智能方面的研究单位主要有：北京大学计算机科学技术系；中国科技大学电子科学自动化系；中科院合肥智能机械研究所传感器技术国家重点实验室等。
然而当我们正在进行经典类型的传感器开发、研制及其推广应用时，由于信息技术的飞速发展，国外的科学家又在传感器智能化方面提出了新的课题、新的任务和新的方向。在美国国家仪器有限公司的倡导下，目前全球领先的16家传感器生产商与美国国家仪器有限公司开展了即插即用智能传感器计划的合作，他们早已开始向市场供应或研制符合即插即用传感器或智能传感器。许多公司取得了丰硕的成果。信息技术、知识经济的发展造就了智能传感器的发展。
当今各个国家压电传感器的研究领域十分广泛，归纳起来主要有以下几点：
小型化。重量轻、体积小、高度分辨率，能够安装在许多场所，体型小的优点对周围元件影响也比较小。
集成化。其他传感器与压电传感器集成为模块，方便测量与控制。
智能化。由于添加了微处理器在集成电路中，具有通讯、自诊、逻辑判断等功能。
系统化。单一类型的产品在市场上根本没有强大的竞争力。失去市场，发展就会受阻，提高了产品成本。
1.3本文的主要工作和内容安排
第一章介绍本课题的研究背景和重要意义，简述国内外发展的现状，压电传感器的仿真。并且在此基础上，研究它在工业上的应用—表面声波气体传感器。
第二章介绍COMSOL Multiphysics软件。
第三章主要介绍压电传感器方面知识。
第四章主要内容基于COMSOL Multiphysics压电传感器声场仿真及应用，利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对压电铌酸锂晶片进行有限元仿真分析，基于压电模块，对换能器的压电晶片进行了瞬态分析。
单个晶体板单元是轴对称的，使用COMSOL Multiphysic里的2D轴对称应用模式模拟；
获得空气区域的压力分布。
分析远场的分布结果。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/978.html
