MKP simulace integrovaného snímače

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "MKP simulace integrovaného snímače"

Anna Marková
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 MKP simulace integrovaného snímače podélných a příčných vln Petr Hora Olga Červená Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i. Praha, CZ Inženýrská mechanika Svratka

2 Úvod nedestruktivní testování (NDT) materiálů a konstrukcí, piezoelektrické ultrazvukové snímače, P-vlny S-vlny, měření modulu pružnosti ve smyku a viskoelastických vlastností, schopnost generování a monitorování P-vln i S-vln. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 2 / 22

3 Snímač typu P-P α UT P α α šířka: 16 mm β střed UZ budiče: 20 mm rozměry UZ budiče: 0,2 6 mm PS PP Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 3 / 22

4 Snímač typu P-S UT α P α α sin α c 1 = sin β c 2 α + β = 90 β PP α = arctg(c 1 /c 2 ) PS α = 61,46 Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 4 / 22

5 Energetické koeficienty odrazu ( cos 2 2β (c 2 /c 1 ) 2 sin 2α sin 2β R PP = cos 2 2β + (c 2 /c 1 ) 2 sin 2β sin 2α ) 2 R PS = 4 (c 2/c 1 ) 2 cos 2 2β sin 2α sin 2β ( cos 2 2β + (c 2 /c 1 ) 2 sin 2β sin 2α ) 2 α β c 1 c 2 úhel dopadu a odrazu P-vlny, úhel odrazu S-vlny, rychlost P-vlny, rychlost S-vlny. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 5 / 22

6 Energetický koeficient odrazu; dopadající P-vlna P-P P-S úhel dopadu Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 6 / 22

7 Energetický koeficient odrazu; dopadající S-vlna S-P S-S úhel dopadu Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 7 / 22

8 energetický koeficient odrazu Geometrická podmínka maximum energie P-P P-S úhel dopadu Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 8 / 22

9 Integrovaný snímač UT P P PP PS PS PP Jen, Ch.-K., Kobayashi, M.: Integrated and Flexible High Temperature Piezoelectric Ultrasonic Transducers. In: Ultrasonic and advanced methods for nondestructive testing and material characterization (C.H. Chen ed.) Wolrd Scientific, New York 2007, chap. 2 Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 9 / 22

10 Analýza metodou konečných prvků COMSOL Multiphysics strukturální mechanika, rovinná deformace, Lagrangeovy kvadratické prvky. Časová analýza Hannův mikrosekundový puls s nosnou frekvencí 5 MHz, 0 až 40 µs s krokem 0,01 µs, relativní tolerance: 10 4, absolutní tolerance: 10 8, trojúhelníková sít maximální velikost prvku 0,2 mm, řešič BDF, s maximálním řádem 2. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 10 / 22

11 Materiálové vlastnosti Ocel Youngův modul: E = 200 GPa, poissonovo číslo: ν = 0,29, hustota: ρ = 7870 kg/m 3 rychlost P-vln: rychlost S-vln: c 1 = 5770,8 m/s, c 2 = 3138,5 m/s. Piezokeramika PZT-4 Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 11 / 22

12 60 Snímač typu P-S napětí [V] S 1 S čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 12 / 22

13 1 µs 13 / 22

14 2 µs 13 / 22

15 3 µs 13 / 22

16 4 µs 13 / 22

17 5 µs 13 / 22

18 6 µs 13 / 22

19 7 µs 13 / 22

20 8 µs 13 / 22

21 9 µs 13 / 22

22 10 µs 13 / 22

23 11 µs 13 / 22

24 12 µs 13 / 22

25 13 µs 13 / 22

26 14 µs 13 / 22

27 15 µs 13 / 22

28 16 µs 13 / 22

29 17 µs 13 / 22

30 60 Snímač typu P-P napětí [V] P 1 P čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 14 / 22

31 1 µs 15 / 22

32 2 µs 15 / 22

33 3 µs 15 / 22

34 4 µs 15 / 22

35 5 µs 15 / 22

36 6 µs 15 / 22

37 7 µs 15 / 22

38 8 µs 15 / 22

39 9 µs 15 / 22

40 10 µs 15 / 22

41 11 µs 15 / 22

42 Integrovaný snímač P 1 P 2 4 napětí [V] S 2 + PS 8 10 S čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 16 / 22

43 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

44 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

45 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

46 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

47 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

48 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

49 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

50 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

51 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

52 Vliv posunu UZ-budiče u integrovaného snímače mm napětí [V] čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 17 / 22

53 Duální snímač UT P UT PP PS P Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 18 / 22

54 30 Duální snímač - část P napětí [V] P 1 P 2 P 3 P 4 P čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 19 / 22

55 30 Duální snímač - část S napětí [V] S 1 S čas [µs] Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 20 / 22

56 0.5 µs 21 / 22

57 1.0 µs 21 / 22

58 1.5 µs 21 / 22

59 2.0 µs 21 / 22

60 2.5 µs 21 / 22

61 3.0 µs 21 / 22

62 3.5 µs 21 / 22

63 4.0 µs 21 / 22

64 4.5 µs 21 / 22

65 5.0 µs 21 / 22

66 5.5 µs 21 / 22

67 6.0 µs 21 / 22

68 6.5 µs 21 / 22

69 7.0 µs 21 / 22

70 7.5 µs 21 / 22

71 8.0 µs 21 / 22

72 8.5 µs 21 / 22

73 9.0 µs 21 / 22

74 9.5 µs 21 / 22

75 10.0 µs 21 / 22

76 Závěr Byly provedeny MKP simulace snímače typu P-P, P-S a integrovaného snímače. Byl proveden detailní rozbor vlivu polohy UZ budiče u integrovaného snímače. Získané výsledky jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky Jena a Kobayashiho. Byl navržen duální snímač, který poskytuje tyto výhody: neexistence parazitních módů, nezávislé ovládání amplitudy a počátku jednotlivých módů. Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 22 / 22

77 Závěr Byly provedeny MKP simulace snímače typu P-P, P-S a integrovaného snímače. Byl proveden detailní rozbor vlivu polohy UZ budiče u integrovaného snímače. Získané výsledky jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky Jena a Kobayashiho. Byl navržen duální snímač, který poskytuje tyto výhody: neexistence parazitních módů, nezávislé ovládání amplitudy a počátku jednotlivých módů. Příspěvek vznikl na základě podpory projektu GA ČR č. 101/09/1630 Numerické řešení stacionárních a nestacionárních problémů dispersního šíření vln v mechanických systémech na různých úrovních a záměru ÚT AV ČR, v.v.i., AV0Z Hora, Červená (ÚT AV ČR) MKP simulace integrovaného snímače 22 / 22

Podobné dokumenty

ANALÝZA VLASTNOSTÍ KÓNICKÉHO PIEZOELEKTRICKÉHO SNÍMAČE AKUSTICKÉ EMISE

ANALÝZA VLASTNOSTÍ KÓNICKÉHO PIEZOELEKTRICKÉHO SNÍMAČE AKUSTICKÉ EMISE O. Červená, P. Hora Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i. Příspěvek vznikl na základě podpory projektu GA ČR č. 101/06/1689 Analýza komponent