CN105117552A - 一种基于comsol软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法，该方法包括如下步骤：步骤1，根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；步骤2，对所述3D仿真模型赋予材料特性；步骤3，对所述3D仿真模型进行网格划分；步骤4，计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；步骤5，判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求，符合需求时，将该3D仿真模型对应的结构参数和材料特性参数作为谐振腔体的设计参数；否则，改变所述3D仿真模型的结构参数和/或材料特性，跳转至步骤3。本发明提供的技术方案仿真效果好，可实现谐振腔体的快速建模，快速获得符合要求的谐振腔体结构参数和材料参数。

Description

一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法

技术领域

本发明涉及一种方法，具体讲涉及一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法。

背景技术

对电力设备关键节点的温度进行实时在线监测，是保障电力系统和设备可靠、安全运行的必备手段。同时，记录设备的历史温度数据也为设备状态检修提供了可靠依据。电力系统高压带电设备周围存在很强的电磁干扰，因而对测温系统的抗干扰性能有着较高的要求。当前的电力设备实时测温方法中，从最原始的蜡片测温到热电阻测温、光纤测温、光纤光栅测温以及红外测温等，在测温准确性、系统实时性、系统可靠性、易维护性等方面均有所提高，但上述测温方法及测温系统或多或少存在安装不便、维护不便、抗干扰能力低、系统可靠性还不够高等问题，亟需寻找一种能够适应电力系统应用环境的测温传感技术。当前，传感器技术、信号处理技术、天线技术等现代技术的发展，可有效适应变电站的复杂工作环境，为在线监测变电站设备节点的实时温度信息提供了坚实的技术基础。

声表面波传感器是一种新型传感器，具有无源无线、体积小、质量轻、易于安装等特点。基于声表面波传感器的测温系统在测温准确性、可靠性、实时性、易用性以及经济性上高度统一，能够满足高压带电设备的实时在线测温要求。与其他测温系统相比，该技术具有以下优势：传感器无源、无线，易安装，易维护，抗干扰能力强；系统软、硬件设计合理规划，可以获得较高的测温精度；后端处理可扩展性强，有利于实现多种人机交互方式。声表面波传感器引入电网设备状态监测后，由于它具有无线遥测、无需供电、抗干扰能力强、精度高、成本低、用途广等优点，在温度状态在线监测应用中展现出巨大的潜力。它作为一种新型传感技术，在复杂的应用场合，有着一定的优势，且符合现代传感的高精度化、信号系统数字化、微机控制化的发展方向。

如图1和图2所示，声表面波温度传感系统包含查询系统、天线和谐振腔体三个部分，谐振腔体由压电基底和制作在压电基底表面的叉指环能器和反射栅共同组成，多对指条构成的叉指换能器处在压电基底表面中部，两组反射栅呈对称状分列在叉指换能器的两侧。其中，查询系统由某频率的信号发生器模块和窄带频率分析模块组成。工作过程中，信号发生器产生一定频率的信号，并通过附着在查询系统上的天线发射出来。附着在谐振腔体上的天线接收该发射信号，将其耦合入谐振腔体的叉指换能器中。叉指换能器获得天线耦合进来的能量之后，将其转换为机械声波，且该声波在压电晶体表面传播，其传播深度仅在1～2个波长量级。机械声波在谐振腔体内部传播，通过合理设计反射栅周期，可以实现谐振，并将谐振后的能量返回叉指换能器，并通过天线发射回查询系统中。查询系统中的频率分析模块对接收信号进行频率分析，找出接收强度最大的频率。该频率反映了在该温度条件下谐振腔体的谐振频率，并可据此进行温度测量。

叉指换能器和反射栅的材料和结构特征决定了谐振腔体的中心频率。谐振腔体反射回来的中心频率信号质量将直接影响无线信号的有效发射距离，需要对叉指换能器与反射栅进行深入的研究。由于材料和结构选择的非唯一性，叉指换能器与反射栅具有多种可选材料和结构，不同选择条件下的叉指换能器性能不同，因此，需提供一种系统优化方法，以快速找到性能最佳的材料和结构，开发符合电力系统需求的声表面波测温传感器。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法。

本发明提供的技术方案是：一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；

步骤2，对所述3D仿真模型赋予材料特性；

步骤3，对所述3D仿真模型进行网格划分；

步骤4，计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；

步骤5，根据判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求，确定进行步骤6或步骤7；

步骤6，如是，将该3D仿真模型对应的结构参数和材料特性参数作为谐振腔体的设计参数；

步骤7，如否，改变所述3D仿真模型的结构参数和/或材料特性，跳转至步骤3。

优选的，所述谐振腔体的结构参数包括叉指换能器叉指对数、叉指指宽、叉指厚度、金属化率、叉指孔径、压电基底长度、压电基底宽度、压电基底高度、反射栅条数、反射栅宽度、反射栅厚度、反射栅长度；

所述3D仿真模型包括长方体形的压电基底和制作在所述长方体形压电基底上表面的叉指换能器和反射栅。

优选的，所述步骤2中的材料特性包括压电基底的材料特性和叉指换能器、反射栅的材料特性；所述压电基底的材料特性为铌酸锂、钽酸锂或石英中任意一种材料的物理特性：包括弹性模量、泊松比、密度和相对介电常数；

所述叉指换能器和所述反射栅的材料特性相同，均为铝或金中任意一种材料的物理特性：包括弹性模量、泊松比、密度和相对介电常数。

优选的，所述步骤3包括：将所述3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，所述三角形的最大边长为λ/5，其中，λ为叉指换能器的几何结构周期。

优选的，所述谐振频率理论值附近区域为0.9f₀-1.1f₀，其中f₀为谐振频率理论值。

进一步，步骤4中采用如下方法计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；

1)计算所述3D仿真模型的谐振频率理论值f₀；

2)在0.9f₀-1.1f₀范围内，按照频率扫描步长Δf，依次选择不同的频率f，f＝0.9f₀+nΔf，其中n≥0，n为整数，激励所述3D仿真模型，使所述3D仿真模型在不同部位上发生不同程度的位移；

3)记载每个频率f激励下的所述3D仿真模型在不同部位上发生位移的最大值d_imax，n个激励频率f对应n个d_imax，获得频率-振动位移响应曲线。

进一步，所述步骤1)中采用如下方法计算所述3D仿真模型的谐振频率理论值f₀：f₀＝v/λ，其中，v为声表面波在谐振腔体内的传播速度，不同结构参数和材料特性的谐振腔体对应不同的传播速度v，λ为叉指换能器的几何结构周期。

进一步，所述步骤2)中：Δf＝10^-5f₀。

进一步，步骤5中通过如下方法判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求：选择n个d_imax中最大值D_max，比较所述频率-振动位移响应曲线的最大旁瓣高度和所述最大值D_max，当所述频率-振动位移响应曲线的最大旁瓣高度小于所述最大值D_max的1/5时，判定所述频率-振动位移响应曲线符合需求。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

1、本发明提供的技术方案对谐振腔体进行了参数化的结构设计，可灵活改变不同参数值来调整谐振腔体几何结构和材料特性，实现快速建模，可通过频率响应分析获得该结构下的特征频率和不同加载频率下的谐振响应，快速获得符合要求的谐振腔体结构参数和材料参数；

2、本发明将建立的3D仿真模型的外表面分割呈成千上万个任意形状的三角形，且使三角形的最大边长小于叉指换能器几何周期的五分之一，可提高谐振腔体性能仿真的收敛性，使得仿真结果更加准确。

附图说明

图1为声表面波温度传感系统的俯视图；

图2为声表面波温度传感系统的主视图；

图3为谐振腔体的3D仿真模型结构示意图；

图4为网格划分后的3D仿真模型结构示意图；

其中1-压电基底、2-叉指换能器、3-反射栅、4-天线、5-声表面波。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；所述谐振腔体的结构参数包括叉指换能器叉指对数、叉指指宽、叉指厚度、金属化率(定义是叉指宽度/叉指几何周期)、叉指孔径(定义为一对叉指在纵向重合的长度)、压电基底长度、压电基底宽度、压电基底高度、反射栅条数、反射栅宽度、反射栅厚度、反射栅长度；其中反射栅的宽度、厚度和长度分别等于叉指指宽、厚度和孔径。建立完的3D仿真模型包括长方体形的压电基底和制作在所述长方体形压电基底上表面的叉指换能器和反射栅。如图3所示的3D仿真模型，图3中省略了叉指换能器。

步骤2，对所述3D仿真模型赋予材料特性；材料特性包括压电基底的材料特性和叉指换能器、反射栅的材料特性；所述压电基底的材料特性为铌酸锂、钽酸锂或石英中任意一种材料的物理特性：包括弹性模量、泊松比、密度和相对介电常数；

所述叉指换能器和所述反射栅的材料特性相同，均为铝或金中任意一种材料的物理特性：包括弹性模量、泊松比、密度和相对介电常数。

步骤3，对所述3D仿真模型进行网格划分；为了提高谐振腔体性能仿真的收敛性，使得仿真结果更加准确，将所述3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，所述三角形的最大边长为λ/5，其中，λ为叉指换能器的几何结构周期，网格划分后的3D仿真模型的结构如图4所示。

步骤4，计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；具体用如下方法计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；

1)计算所述3D仿真模型的谐振频率理论值f₀：f₀＝v/λ，其中，v为声表面波在谐振腔体内的传播速度，不同结构参数和材料特性的谐振腔体对应不同的传播速度v，λ为叉指换能器的几何结构周期。

2)在所述谐振频率理论值f₀附近的0.9f₀-1.1f₀范围内，按照频率扫描步长Δf，Δf＝10^-5f₀，依次选择不同的频率f，f＝0.9f₀+nΔf，其中n≥0，n为整数，激励所述3D仿真模型，使所述3D仿真模型在不同部位上发生不同程度的位移。

3)记载每个频率f激励下的所述3D仿真模型在不同部位上发生位移的最大值d_imax，n个激励频率f对应n个d_imax，获得频率-振动位移响应曲线。

步骤5，根据判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求，确定进行步骤6或步骤7；具体通过如下方法判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求：选择n个d_imax中最大值D_max，比较所述频率-振动位移响应曲线的最大旁瓣高度和所述最大值D_max，当所述频率-振动位移响应曲线的最大旁瓣高度小于所述最大值D_max的1/5时，判定所述频率-振动位移响应曲线符合需求，转至步骤6，否则转至步骤7；

步骤6，将该3D仿真模型对应的结构参数和材料特性参数作为谐振腔体的设计参数，进行加工、试验和测试。

步骤7，改变所述3D仿真模型的结构参数和/或材料特性，跳转至步骤3。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于COMSOL软件的声表面波温度传感器谐振腔体设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1，根据谐振腔体的结构参数建立谐振腔体的3D仿真模型；

步骤2，对所述3D仿真模型赋予材料特性；

步骤3，对所述3D仿真模型进行网格划分；

步骤4，计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；

步骤5，根据判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求，确定进行步骤6或步骤7；

步骤6，如是，将该3D仿真模型对应的结构参数和材料特性参数作为谐振腔体的设计参数；

步骤7，如否，改变所述3D仿真模型的结构参数和/或材料特性，跳转至步骤3。

2.根据权利要求1所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

所述谐振腔体的结构参数包括叉指换能器叉指对数、叉指指宽、叉指厚度、金属化率、叉指孔径、压电基底长度、压电基底宽度、压电基底高度、反射栅条数、反射栅宽度、反射栅厚度、反射栅长度；

所述3D仿真模型包括长方体形的压电基底和制作在所述长方体形压电基底上表面的叉指换能器和反射栅。

3.根据权利要求1所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

所述步骤2中的材料特性包括压电基底的材料特性和叉指换能器、反射栅的材料特性；所述压电基底的材料特性为铌酸锂、钽酸锂或石英中任意一种材料的物理特性：包括弹性模量、泊松比、密度和相对介电常数；

所述叉指换能器和所述反射栅的材料特性相同，均为铝或金中任意一种材料的物理特性：包括弹性模量、泊松比、密度和相对介电常数。

4.根据权利要求1所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

所述步骤3包括：将所述3D仿真模型的外表面划分为任意形状的三角形，所述三角形的最大边长为λ/5，其中，λ为叉指换能器的几何结构周期。

5.根据权利要求1所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

所述谐振频率理论值附近区域为0.9f₀-1.1f₀，其中f₀为谐振频率理论值。

6.根据权利要求5所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

步骤4中采用如下方法计算所述3D仿真模型在谐振频率理论值附近区域内的频率-振动位移曲线；

1)计算所述3D仿真模型的谐振频率理论值f₀；

2)在0.9f₀-1.1f₀范围内，按照频率扫描步长Δf，依次选择不同的频率f，f＝0.9f₀+nΔf，其中n≥0，n为整数，激励所述3D仿真模型，使所述3D仿真模型在不同部位上发生不同程度的位移；

3)记载每个频率f激励下的所述3D仿真模型在不同部位上发生位移的最大值d_imax，n个激励频率f对应n个d_imax，获得频率-振动位移响应曲线。

7.根据权利要求6所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

所述步骤1)中采用如下方法计算所述3D仿真模型的谐振频率理论值f₀：f₀＝v/λ，其中，v为声表面波在谐振腔体内的传播速度，不同结构参数和材料特性的谐振腔体对应不同的传播速度v，λ为叉指换能器的几何结构周期。

8.根据权利要求6所述的谐振腔体设计方法，其特征在于：

所述步骤2)中：Δf＝10^-5f₀。

9.根据权利要求6所述谐振腔体设计方法，其特征在于：

步骤5中通过如下方法判断所述频率-振动位移响应曲线是否符合需求：选择n个d_imax中最大值D_max，比较所述频率-振动位移响应曲线的最大旁瓣高度和所述最大值D_max，当所述频率-振动位移响应曲线的最大旁瓣高度小于所述最大值D_max的1/5时，判定所述频率-振动位移响应曲线符合需求。