宋鑫
西安航天宏图信息技术有限公司 陕西 西安 710000
摘要：压电效应在军事、医学、人民生活、科学研究等各方面都得到了广泛的应用，为人民的生活带来了变化。压电陶瓷就是利用压电效应人工制作的范例，克服了天然压电材料的不足。利用压电效应制作的压电传感器凭借其优越的性能得到了，随着科学技术的发展，压电传感器无论在种类还是性能上都有了巨大的进步。在压电传感器受到应力及温度作用时，会发生一些变化。用ANSYS软件对压电传感器核心元件压电陶瓷进行仿真，研究压电陶瓷在应力及温度条件下模态变化。再讲得到的数据输入LabVIEW，进行虚拟仪器设计。本文主要内容：(1)给出研究背景及意义、压电效应的解释和压电陶瓷研究现状及进展。(2)详细地介绍了ANSYS有限元模态分析方法。做了基于ANSYS的压电埋入式压电陶瓷圆片振动仿真分析。在不同外加应力及不同外加温度下压电陶瓷模态进行对比。(3)将ANSYS仿真得到的数据导入LabVIEW软件中，进行虚拟仪器设计。
关键词：压电材料；压电传感器；ANSYS模态分析；LabVIEW、虚拟仪器
1.绪论
1.1研究背景
1.1.1压电效应与压电陶瓷
压电效应是压电材料中机械能和电能之间相互转换的现象，分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应：当压电体受到持续不变方向的外界挤压时， 内部就会产生一种奇特的电极化，同时在它的其中两个表面上会产生极性相反的正负电荷；当外力消失的时候，它又会变成不带电的状态；当外界挤压方向改变时，电荷的极性也随之改变；它受力所产生的电荷量与外界挤压的大小成正比。
逆压电效应：在一些电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质不仅产生极化，还会产生应变和应力，电场去掉后，电介质的变形也会随之消失，逆压电效应产生所谓原因是外加电场的作用而产生应变或应力。
1.1.2压电式传感器
压电式传感器可以分为4大类：
(1)压电式压力传感器是一种机电转换盒自发式传感器。其敏感元件大多是各类压电陶瓷或石英晶体，在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。
(2)加速度传感器又称压电加速器，属于惯性式传感器。施加在压电元件上的力也会随着压电式加速度传感器受到外力大小的变化而变化。压电敏感元件是力敏元件。
(3)高分子材料压力传感器的原理是高分子材料不仅能用作压力转变为电信号的传感器使用，而且还可以用作电信号转变压力的转换器使用。
(4)压电式测力传感器：由绝缘套、电极、石英晶片、底座和上盖组成。被测力通过上盖使石英晶片在电轴方向受到外加力的作用，从而产生形变，将被测力传到并联的压电晶片，产生极化电荷。
第二章 基于ANSYS的压电埋入传感器模块振动分析
2.1有限元分析方法和ANSYS软件
ANSYS软件能够对工程结构或者产品进行力学、声学和耦合场等进行分析。
2.2 ANSYS有限元分析方法基本步骤
(1)定义单元类型
通过Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete命令来来定义单元模块。压电陶瓷圆片的薄圆片是通过矩形平面绕着中心轴旋转来，添加单元类型时我们先添加二维实体的PLANE42，然后再添加三维实体的SOLD5。
(2)实验样本基本数据：
几何实验中取压电陶瓷圆片作为样本，其半径为12mm,厚度为2mm。通过Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Rectangle →By 2 Corners命令，设定长为12mm,宽为2mm的矩形。通过Preprocessor →Meshing →Mesh Tool命令，把矩形长均分为8份。
通过 Preprocessor →Modeling →Operate →Extrude →Elem Ext Opts命令来把PLANE42转换为SOLD5，将每1/4模型部分划分成10份。然后通过Preprocessor →Modeling →Operate →Extrude →Areas →About Axis，选择矩形的一条宽边作为旋转轴，矩形进行旋转。同时将SOLD5分成4份)命令来完成圆柱体的绘制。
通过Plot →Elements命令来完成模型的网格划分的工作。
(3)输入定义参数
定义参数已经用程序编写好，可直接把程序粘贴到ANSYS中。
选择模态分析，通过Solution →Analysis Type →New Analysis →Modal；提取模态数设定为20，频率范围设定在20kHz-100kHz，
(4)无外加条件
因为本文研究的是基于压电埋入式传感器的应力及温度测量虚拟仪器设计，所以用ANSYS要分析温度和应力对压电陶瓷模态的分析。
(5)读取结果
通过sovle→Postproc命→OK→Yes,计算数据；通过General Postproc →Read Results来选择频率的当前模态，再通过General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Nodal Solution →DOF Solution →Y-Component of displacement来提取模态图。可通过PlotCtrls →Animate →Mode Shape命令来查看压电陶瓷圆片振型动画。
(6)添加1000N外力
重复步骤(1)(2)(3),通过Solution →define loads →apply→structural→pressure→on areas命令，选择上下表面和侧面，再点击OK。重复步骤（5），得到不同频率模态图，结果与未加任何外加条件的模态图相同。
(7)添加温度
添加温度需要重新再做一遍实验，否则前面得到的数据会影响下一次的实验结果。因此重复步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)。通过Solution →Define Loads→Temperature
→on areas(选侧面、上下表面) →OK,添加20℃的温度。再重复步骤（5），则在20℃的外加温度下，不同频率模态图。(8)重复步骤(6)，添加50℃的温度。
模型上面颜色越趋于红色的部位振动位移越大，颜色越趋于深蓝色的部位振动位移越小。从未添加任何外在条件下，压电陶瓷圆片的模态数据和在添加1000N应力的外在条件下，压电陶瓷圆片的模态数据中可以看出，外加应力1000N时，对压电陶瓷的模态的变化几乎没有影响。因为热胀冷缩的原因，外加温度导致了压电陶瓷圆片体积的变化，使其内部的应力和应力场发生改变，导致了压电陶瓷圆片模态发生改变，外加温度变化幅度不同，压电陶瓷圆片模态变化的幅度也不同。
第三章 虚拟仪器及LabVIEW开发平台
3.1虚拟仪器及软件
虚拟仪器大致可以分为5种：(1)PC-DAQ插卡式虚拟仪器：这种类型的虚拟仪器充分利用了计算机的机箱、总线、软件以及电源的有利条件，其关键是A/D转换技术。随着工业控制计算机技术不断取得进步，PC-DAQ插卡式虚拟仪器正在被克服以下缺点：存在电源功率不足、插槽数目不多。(2)并行口式虚拟仪器：这种虚拟仪器的硬件集成在采集盒里，软件安装在计算机上，可用于野外操作。而且并行口式虚拟仪器价格便宜、用途广泛，十分实用于教学实验室和研发部门。(3)GPIB总线方式虚拟仪器：GPIB系统由一台PC机、GPIB接口卡、一些GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。GPIB总线方式虚拟仪器有造价低廉、结构简单、精确度高的优点，缺点是计算速率较缓慢和总线控制实时性不强。(4)VXI总线方式虚拟仪器：VXI总线具有强大的冷却能力、RFI/EMI屏蔽、稳定的电源的优点。VXI系统适用于组建大规模自动测量系统、高精度的场合，但VXI系统的造价相对比较高。(5)PXI总线方式虚拟仪器：新型仪器系统PXI是在PCI技术的基础上加强了技术规范和要求形成的，加强相邻模块的高速通信的局部总线。
3.2对应力合及温度测量虚拟仪器设计方案
(1)程序总框图设计
因为LabVIEW软件不需要使用者亲自编写程序，只要用连线、图标构成流程图即可。LabVIEW对应力及温度作用下的压电陶瓷圆片模态进行虚拟仪器设计，所以输入是ANSYS仿真的数据结果，输出是同等外加条件下，压电陶瓷圆片频率和位移、应力的曲线图。
(2)创建表格：将数据输入LabVIEW的表格模块。
因为对压电陶瓷圆片施加应力，对其模态没有影响，未施加任何外部条件和施加1000N应力条件仿真的数据相同，所以两者作为同一种输入LabVIEW的表格模块。
未施加任何外部条件和施加1000N应力条件、施加20℃、施加50℃的外在条件。
只需建立需要的程序总框图，输入数据，就可以得到输出曲线图。从曲线图中可以清楚看到在不同外在条件下，频率与最大位移、最小应力、最大应力之间的函数关系。从图中可查出在某个频率下，最大位移、最小应力、最大应力的具体数值。还放映了不同外加条件对压电陶瓷模态的影响。