水听器预应力与预应力损失研究

杨硕 汪洋 徐匡

中国船舶重工集团第七一五研究所 浙江 杭州 310018

引言

水听器能够将水下声信号转换为电信号，是声呐的重要组成部分。而水听器装配过程中需进行预应力施加保证固化完全，通过现有研究可知施加预应力后容易产生预应力损失，严重的话还会对产品工作性能造成严重的影响。因此，加大对预应力与损失监测研究随之显得尤为重要。针对该内容的研究，本文将在以往研究基础上，采用压电阻抗测试对水听器装配过程中施加的预应力值及预应力损失进行研究，进而保证水听器装配的顺利进行，并提高水听器的工作性能。

1 压电传感器的工作原理

压电传感器是一种自发电式的传感器。它在外力的作用之下，会以某些电介质压电效应为基础，在电介质的表面产生一定电荷，从而实现非电量测量的目的。压电传感器是力敏感元件，将非电物理参数转换为力的参数后即可进行测量，例如动态压力，振动等，但不适用于测量静态参数。压电效应是压电陶瓷类材料的特有属性，表现为晶体受到压力从而使晶格发生变形，表面产生正电荷。

压电传感器由于内阻抗较高且输出信号非常微弱，一般情况下无法直接进行显示、记录。因此压电传感器需要测量电路的前级输入端有足够高的阻抗，这样可以防止电荷的迅速泄漏从而使测量误差变大。通过前置放大器将传感器的高阻抗输出变成低阻抗的输出，并把传感器接收的微弱信号进行放大显示。

压电传感器的电压放大器的等效电路如下图1所示，图2为简化后的等效电路图。

图1 电压放大器等效电路图

图2 电压放大器简化后的等效电路图

其中，Ui为放大器的输入电压；C=Cc+Ci；Ua=Q/Ca。

压电传感器电荷放大器则是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。压电传感器与电荷放大器的等效电路连接如下图3所示。

图3 电荷放大器等效电路图

图中晶体受压力产生电荷Q，Ca是传感器间的电容，Cc是传感器传输电缆的电容，Ci是电荷放大器的输入电容，Cf是电荷放大器的反馈电容，如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，那么输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf

压电传感器在受到一定作用力时，电荷会聚集在两个电极的表面，电荷量相同且极性相反。此时可以把它当作一个把压电材料作为电介质的电容器。在实际振动系统的运动过程中会受到一定的阻力，阻力的方向会与运动方向相反，而阻力大小与运动速度成正比。黏性阻尼就是衡量这种阻力大小的系数，而机械阻抗的倒数称为机械导纳[1]。

如果无源网络端口上电流向量与电压向量参考的方向一致，导纳可定义为：

其中导纳Y的单位为S，导纳是个复数，实部与虚部导纳的换算公式为：

实部G：电导分量（正值）

虚部B：电纳分量（可正可负）

2 压电阻抗测试的监测过程

针对本文研究的内容，本文将采用一维模型对压电陶瓷和结构件之间的相互作用进行模拟。具体监测实验过程如下：①试验设备。在试验设备选择上，本文将选择WK6500B精密阻抗分析测试仪，测量压电陶瓷电导纳的一套通用夹具。设备工作频率为9KHz，只有这样才能在提供分析数据的同时，让基本的阻抗精确度达到正负百分之零点零五[2]。从电压阻抗测试角度出发可知，在不同结构中压电陶瓷测量频率感应范围有所不同。据有关研究可知，不适用于精确监测的频率范围为低于4或者是高于12KHz。基于此，在本文监测过程中，将把所有的试验选择频率范围控制在五十到八十千赫，采用频率点数为八百个，与此同时，因虚部导纳谱对环境温度敏感，所以监测中将采用实部导纳谱进行分析[3]。②实验材料与试件准备。在此试验监测过程中，将以直径35mm，长分别为15cm、20cm、25cm的三套结构件作为研究对象。制作相应的应力施加夹具，设置圆孔将结构件进行固定，方便从顶部施加应力。本次试验将在某实验室进行，采用专用的压电传感器，压电陶瓷材料选用我所自制的，尺寸为Φ30*1mm。以上就是压电阻抗测试监测的过程，可见此次试验过程中所需要准备的试验设备与材料较多，因此，为保证试验顺利完成，就必须对设备使用加以重视。

3 测试结果

通过利用压电阻抗测试对预应力与预应力损失进行监测，当前，试验测试结果主要可表现在：

3.1 压电导纳谱分析

根据三个结构件各个压电陶瓷的压电导纳可以了解到，三个结构件的共振频率将伴随着预应力值的提升而增加。随着预应力值的进一步提升，开始对结构件进行压缩，增加了结构件的抗弯刚度，压电陶瓷的导纳谱也就此发生偏移。这无疑表明压电阻抗测试可以用于结构件预应力的监测，能够监测出结构件预应力值变化及预应力值损失。根据图4-6结构件的电导纳图可以了解到，压电陶瓷的共振频率偏移只能对结构件预应力变化进行定性描述，甚至无法做到定量描述。之所以这样，其原因主要在于共振频率与预应力彼此之间有着很大的关系，要想更好的描述出共振频率随预应力变化而发生的变化，就必须为预应力与共振频率之间建立一个数学公式关系，进而实现对预应力的预测。与此同时，在实际生产中，水听器装配完成后的预应力值并不清晰，伴随着结构件预应力值因疲劳等因素造成的损失，需进一步对预应力损失进行评估[4]。总之，本文不仅对预应力值进行预测，而且为预应力损失与相对共振频率偏移建立了数学公式关系，预测出了预应力的具体损失。

图4 结构件A峰值频段压电陶瓷导纳谱

图5 结构件B峰值频段压电陶瓷导纳谱

图6 结构件C峰值频段压电陶瓷导纳谱

3.2 数理统计分析

在此监测过程中为了再一次验证压电阻抗技术用于监测结构件预应力值的有效性，本文在研究中还应用了数理统计指标对整个电导纳信号在频率范围中的变化进行评判。该过程中主要的评判变化指标为RMSD，公式如下：

式中：yk为压电导纳谱；导纳谱的采样点数目主要为N；初始状态下的导纳谱为i；其他状态下的导纳谱为j。另外，根据以rmsd为指标获取到的曲线拟合图以及rsmd偏移为指标获取到的曲线拟合图可了解到，三个结构件的RSMD正伴随着预应力值的不断增加而增加，RSMD偏移值也在随着预应力损失的不断提升而提高。由此可见，不管是预应力值，还是RSMD都属于强烈的线性关系[5]。也正是因为此，所以在此次监测过程中我们可以通过压电导纳谱进行梳理统计分析，并且可以在分析的过程中获取到结构件的预应力值和预应力损失。

4 结束语

总而言之，有关预应力损失等各方面的研究已经成为我国近年来关注的重点。通过上述对该方面内容的分析可知，本文主要采用的是压电陶瓷对不同结构件施加预应力时的压电阻抗进行分析。通过上述分析我们可以得出以下几点结果，首先，伴随着结构件预应力值的改变，监测获取到的压电导纳也将发生有规律的变化，而压电导纳谱峰值对应的共振频率也将随着预应力值提升而提升。其次，在应用RSMD数理统计指标对整个压电导纳谱在频率范围当中的改变进行评判的时候可清楚了解到，预应力与RSMD之间呈正向比例关系，也就是预应力的提升，RSMD也会随之提升。