赖俊
中核武汉核电运行技术股份有限公司浙江分公司 浙江嘉兴 314300
1 前言
压电式超声波传感器[1]中发挥关键作用的是内部的压电晶片，其工作原理是运用压电材料的压电效应，压电效应分正压电效应与逆压电效应。正压电效应定义为压电晶体在外加力载荷的作用下产生形变时，使其晶体表面电荷之间的平衡被打破，从而产生电势差。相反，所谓逆压电效应是指压电晶体施加外电场，使压电晶体发生形变的效应称为逆压电效应。
压电式超声波传感器中的压电晶片是影响传感器灵敏度的关键构件，压电晶片一般有压电陶瓷、压电石英或一些压电好、复合材料。多年以来，压电材料在应用上得到了迅速发展，从最开始的压电石英晶体、复合类压电材料，到今天被广泛应用的锆钛酸铅陶瓷(PZT)等，随着各种合成压电材料的形成，其性能随之变得越加优越。本文采用ANSYS仿真软件对其进行研究，在ANSYS中采用不同压电材料进行仿真，从而不仅可以分析出压电式超声波传感器的工作原理，也可以比较不同材料的压电晶片的工作性能，这样为我们优化设计压电式超声波传感器体提供了重要思路。
2 基于ANSYS对压电晶片仿真的理论分析
作为一种是融结构、流体、声场、电磁场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，ANSYS作为现今运用脚广泛的仿真软件，它的出现使得工程中和学科中多类实际问题得到很好的解决，其分析功能十分强大全面。
2.1.2 有限元法分析问题一般步骤
ANSYS有限元典型分析大致分为三个步骤:建立有限元模型、加载和求解与结果后处理和结果查看，分别对应三个功能模块:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
3 ANSYS有限元对压电材料的仿真过程
3.1 创建几何模型
在ANSYS仿真软件中，这个个过程其实可以有两种方式，一是利用命令创建，二是在软件工具中直接操作，此次采用了在工具栏中操作。首先需要选择是准备以何种材料构建模型，本次选用Sliod5作为构建材料；创建几何模型之后，我们需要定义压电材料的属性，定义材料的密度、力学参数（弹性系数）、介电常数、压电应力系数。
3.2 网格划分
将几何模型网格化就可以创建有限元[2]模型了，这也就是ANSYS中meshing过程，这个过程完成之后，所有施加几何模型的载荷最后传递到有限元进行分析求解。网格划分一般分为一下三个步骤：定义单元属性、设定网格尺寸、进行网格划分。
3.3 设定边界条件
边界条件是根据实验的目的设定的，此次仿真做的是压电材料的正压电效应，在建立后好的在长方体模型的一个底面施加一定载荷，而另外一个面则施加约束条件用于固定模型。
3.2 求解及获取数据
在这之前我们还需要设定分析类型，此次我们采用静态分析，求解后可以看到长方体的压电材料用于受到载荷的情况发生形变。当压电材料受力发生明显的形变之后，原来在压电材料中的电荷平衡就会被打破，然后在长方体的压电材料的上下两个底面就会产生电势差。
从仿真软件可以看到电势分布情况，依次将仿真施加载荷从0N逐次加300N直至1500N，记录下不同载荷下感生的电势;为了确保实验的准确性和比较不同材料压电性能的差异,同样采用了钛酸钡（BaTiO3）压电材料做此次的仿真实验。
4 仿真数据收集及分析
4.1 仿真数据收集及整理
随着施加载荷的不同，得出的电势分布也是不同的，施加0N时，也就是不施加载荷，可以得出压电晶片材料无任何变化，整个材料处于电荷平衡状态;当选择的压电材料是复合材料锆钛酸铅压电陶瓷（PZT-4），收集到的数据如下：
施加300N的载荷时，可以看到如图4.2所示的电势分布图。
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随着载荷的增加，电势差也随之增大，一直到施加载荷1500N，最后得出施加载荷对应的电势差数据如下表所示。
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4.2 仿真数据分析
此次利用ANSYS有限元对压电材料进行仿真处理[3]，数据结果表面还是比较成功的，得出的数据符合预期的结论。
首先，两种压电材料在受力情况下都产生了一定的电势差，而且数值与施加的载荷成一定的比例关系，是因为力施加在压电材料上使其变形，而其形变量根据物理学定律与施加的力成一定的比例。压电材料在不受载荷的情况下处于电荷平衡状态，一旦材料发生形变，平衡被打破，就会在一定的方向出现一定的电势差，根据物理学的电荷与电荷之间的关系，电荷产生电势差与电荷之间的距离成比例关系，利用变形量作为中间变换量，就可以得出施加载荷与产生的电势差成一定的比例关系。
其次，我们可以比较两种不同压电材料得出的数据，从中我们可以明显能够观察到，PZT-4曲线的斜率要大于BaTiO3曲线的，其实这是有理论依据的，BaTiO3是一种单晶体材料，其材料参数已经在本中给出，而PZT-4是一种复合材料，比较两者的材料参数，PZT-4的弹性系数比BaTiO3小，弹性系数是表示固体材料抵抗形变能力的物理量，弹性系数越大，其抗形变能力越好，说明在受同一力时，弹性系数越大的变形量就越小，也就说明在仿真中受同一力BaTiO3变形量比PZT-4小。再比较压电应力系数，压电应力系数表示在受力时压电材料机械能转化成电能的能力系数，说明也PZT-4将机械能转化为电能的能力高于BaTiO3。总而言之复合材料PZT-4的压电性能强于BaTiO3单晶体压电材料。
5 结论
经过ANSYS有限元软件的对两种压电材料的仿真分析，即对压电材料施加力载荷，得出在压电材料中能够产生电势差，这也是正压电效应。进而可以将这种现象放到压电式超声检测传感器中，也就是本文研究的课题。在超声波检测中，超声波是作为一种能量传递的，在传递过程能量损失的大小与被件工件中缺陷有关，在传感器接受超声波时，其实起关键作用还是压电晶片，此时超声波起的就是力的作用。所以结合文中的仿真现象，可以很容易得出压电式超声波检测传感器的接受原理就是利用压电晶片接收到超声波，使压电晶片变形，在压电晶片中产生电势差，从而得到电信号，再经过一系列滤波、放大等电路，输出到显示器就是我们平时看到波形图。
本文还利用两种不同压电材料进行仿真，得出了压电复合材料PZT-4的压电性能要高于BaTiO3单晶体压电材料，这一结论其实很早就被利用在压电式传感器的制作工艺中，为了提高压电式超声检测传感器的检测灵敏度等性能，可将压电复合材料等压电性能较高的材料作为压电传感器压电晶片构成材料。
参考文献
1 张福学，现代压电学中册[Ｍ]，北京:科学出版社，2002
2 莫喜平、崔政，水声换能器的有限元模拟，1999年青年学术交流会论文集，中科院声学
所，北京，157-159
3 王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西北工业大学出版社，2000