雨量传感器用压电换能器设计仿真研究

张灵舒，王登攀，李 军，刘 畅

(1.中电科技集团重庆声光电有限公司，重庆 401332；2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

降雨测量是气象观测的一个重要环节，与人们日常生活密切相关，时刻影响着社会生产与日常生活，在预测天气、防汛抗旱及地质灾害监测等方面都具有很强的指导意义。降雨的测量宏观量包括降雨量、降雨时间、降雨强度及降雨的空间分布特征等；微观量包括雨滴的大小、形状、速度、相态、构成、pH值及谱分布等。在武器装备等应用领域，车载气象传感器与手持气象传感器对于雨量传感器有较强的需求。目前常见的降雨测量设备主要涉及翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、感雨器、超声雨量传感器、光学雨滴谱仪、视频雨滴谱仪、声学式雨滴频谱仪和压电式雨量传感器[1]。

压电式雨量检测方法可以实现实时测量雨量和雨滴粒径信息，检测基础是逐个测量雨滴的落地动量，再由雨滴动量计算雨滴的体积和等效直径，累加后得到降雨量并统计雨滴谱[2]。现有压电式降水测量仪器存在的主要问题是难以保证对大雨、小雨及降雨微观特征都具有较高的测量精度[3]。因此，本文首先提出一种新型换能器结构设计，并针对不同材料下的新型结构进行雨滴冲击试验，形成一系列电压仿真分析结果；其次分析雨滴在新型结构表面从无到有形成水膜的电导及谐振频率的变化，验证新型结构拓宽雨量计对小雨量检测的下限。

1 压电换能器结构设计

1.1 技术现状

压电换能器由金属壳体和粘贴在金属壳体内部的圆形压电陶瓷片两部分组成。雨滴跌落到传感器上，并与传感器表面相互作用，金属壳体在雨滴的冲击下会产生微小的机械振动。压电陶瓷片在振动时由于机械应力的作用会在电极间产生电压差，对外输出电信号。雨滴的冲击力越大，则振动幅度越大，压电换能器输出电压的幅值也越大。因此，通过采集压电换能器输出信号可以得到雨滴对传感器表面的冲击力，间接测量雨滴下落动量，从而得到雨滴粒径大小。

1.2 传统结构设计

图1为传统雨量传感器核心换能结构。该结构包括压电陶瓷片、壳体和底座等。根据第1.1节的理论分析可知，该结构主要通过检测雨滴冲击壳体产生的声信号来实现雨量的检测。该结构采用全封闭式金属壳封装，抗冲击能力强，因此，大雨滴检测能力强。但当雨滴过小，无法检测其对壳体冲击产生的声信号，后端检测系统将认为此时无雨，从而引起漏报，使雨量计的检测精度受到影响，因此需对传统的雨量计换能结构进行改进，提高小雨滴的检测能力，从而提高雨量计的整体精度。

图1 传统雨量传感器核心换能结构剖面图

1.3 新型换能器结构设计

在保留传统换能器检测大雨量能力的同时，提出了一种四周增加压电双晶片的新结构，如图2所示。双晶片既可采用传统的压电陶瓷，也可采用压电纤维复合材料，以提高检测灵敏度。双晶片检测雨滴主要采用两种方式：

1) 雨滴冲击双晶片直接产生的电压脉冲信号。

2) 检测在双晶片表面雨滴产生的水膜引起的阻抗特性变化。

对于阻抗特性的变化，小雨滴或雾气都可能在双晶片表面产生水膜，由于水的表面张力，在双晶片尺寸一定的情况下，能产生的水膜最大厚度应是一定的。但针对不同的雨滴粒径，水膜从生成到达到最大厚度的过程不同，这可作为检测雨量的参数之一，可拓宽压电式雨量传感器的检测下限。

图2 兼顾小雨滴检测的新型换能结构

2 新型雨量传感器换能结构仿真

2.1 中心部分换能结构的仿真

为了模拟新型雨量传感器换能结构在雨滴冲击下的电压输出，本文采用基于ANSYS的瞬态分析进行了仿真。

首先建立有限元模型如图3所示。其中压电陶瓷材料选择PZT5，单元为solid226；粘接剂选择环氧树脂，单元为solid186；金属壳体选择不锈钢，单元为solid186。对于金属壳体的材质，前期经过了基于互易原理的灵敏度仿真，不锈钢材料与硬铝和钛合金等金属的性能表现相当。因此，本文选择不锈钢作为金属壳体材料。

图3 瞬态响应分析用3D模型

图3所示模型参考了现有雨量传感器换能结构，也是新型雨量传感器中心部分的换能结构，其主要用于测量大雨滴，根据文献[4]报道的雨滴终速数据，分析了施加压强1 270 Pa、持续时间为0.1 s时得到的电压输出，如图4所示。图中，nd1～nd4分别为对应圆形结构距中心0、10 mm、20 mm及30 mm位置，压强面积为25 mm2。由图4可看出，模型中nd1、nd2与nd3、nd4的输出电压相反。因此，如果雨滴同时作用到4个位置时，输出电压会发生抵消，且随着雨滴减小，电压输出会相应减小，对小雨滴测量难度较大，这也是本文提出增加外围换能结构的原因。

图4 中心部分不同位置的电压输出

2.2 外围压电双晶片换能结构的电压输出仿真

对于外围换能结构，基于压电陶瓷材料的压电双晶片是已选择的结构之一，压电陶瓷片采用PZT5，单元为solid226；基板采用不锈钢，单元为solid186，模型如图5所示。双晶片一端固定，分别对距固定端2.6 mm、5.2 mm、7.8 mm、10.4 mm及13 mm处施加1 270 Pa的压强，持续时间为0.1 s，得到的仿真数据如图6所示。由图可看出，随着与固定端距离的增加，输出电压不断增大，距离13 mm处输出电压最大，幅值可达0.25 V。

图5 压电双晶片3D模型

图6 雨滴冲击下压电双晶片的电压输出

2.3 压电纤维复合材料双晶片换能结构的电压输出仿真

基于压电纤维复合材料的双晶片也是已选择的外围换能结构之一，压电纤维采用PZT5，单元为solid226；填充材料选择环氧树脂，基板采用不锈钢，单元为solid186，压电纤维复合材料模型如图7所示。双晶片模型如图8所示。双晶片一端固定，分别对距固定端2.6 mm、5.2 mm、7.8 mm、10.4 mm、13.0 mm处施加1 270 Pa的压强，持续时间为0.1 s，压电纤维复合材料雨滴冲击下得到的仿真数据如图9所示。压电纤维复合材料双晶片雨滴冲击下得到的仿真数据如图10所示。

图7 压电纤维复合材料有限元模型图

图8 压电纤维复合材料双晶片结构有限元模型图

图9 压电纤维复合材料雨滴冲击下的电压输出

图10 压电纤维复合材料双晶片雨滴冲击下的电压输出

由图9可看出，压电纤维复合材料受到雨滴冲击时，整体输出电压较低，最高为0.008 V；随冲击位置的变化规律相同，冲击距离越远，输出电压越高；受到冲击时材料需要一定的响应时间，在冲击(0.1 s)结束后，材料输出较高电压，这可能与材料本身的机械品质因数较低有关。由图10可看出，压电纤维复合材料双晶片受到雨滴冲击时，输出电压较高(大于1.2 V)，远高于压电陶瓷双晶片的输出电压(0.25 V)，说明其更适用于当前结构。由于冲击位置的变化规律相同，冲击距离越远，则输出电压越高。

对于不同的基板材料，分别仿真了不锈钢、有机玻璃、钛合金、玻璃钢(GRPA)(纤维丝沿长度方向)、铝合金等，除有机玻璃输出电压较低外，其他材料的基板电压输出相当，其原因可能是有机玻璃杨氏模量低于压电纤维复合材料沿纤维方向的杨氏模量，而其他基板的杨氏模量均高于该复合材料。不同基板的压电纤维复合材料双晶片冲击时得到的仿真数据如图11所示。

图11 不同基板压电纤维复合材料双晶片雨滴冲击下的电压输出

综上可知，压电纤维复合材料双晶片结构更适用于外围换能结构[5]。

2.4 压电纤维复合材料双晶片覆盖水膜时的阻抗特性仿真

在图8所示模型上方建立一层水膜模型，单元类型为fluid30，流体材料为水，分别对不同厚度的水膜进行谐波响应分析，得到电导随水膜厚度的变化规律，如图12所示。

图12 电导随水膜厚度的变化

由图12可看出，在压电纤维复合材料双晶片表面形成厚0～1.2 mm水膜的过程中，均能捕捉到电导及谐振频率的变化，在后续研究中可通过模型和算法计算出各厚度水膜形成时的累计雨量，并通过最小二乘拟合和数据库比对等方法进一步推算出雨滴体积。该仿真模型表明，新型结构设计拓宽了检测雨量的下限，提高了雨量计的灵敏度。

3 冲击作用下电压输出的试验验证

为了验证仿真结果的有效性，利用传统的雨量传感器换能结构，在约1 m的高度用滴管产生的液滴模拟雨滴终速对结构中央进行冲击，得到的信号输出如图13所示。在0.1 s附近信号峰-峰值约35 mV，与图4中nd1在0.1 s时电压输出结果基本相同，由此证明本文所进行的仿真结果具备有效性。

图13 雨滴冲击下电压输出实测值

4 结束语

本文提出了一种新型的雨量传感器换能结构，其中包括中心弧形结构及外围的双晶片结构。利用ANSYS有限元仿真软件对其进行瞬态及谐波响应分析，得到中心弧形结构、压电双晶片、压电纤维复合材料、压电纤维复合材料双晶片等结构对于不同冲击位置的电压输出，以及压电纤维复合材料双晶片对不同水膜厚度的电导和谐振频率的变化情况，验证了新结构拓宽了检测雨量的下限，为后续精确测量雨滴粒径提供思路。

为了验证仿真的有效性，对比了雨滴冲击下中心结构的电压输出的实测值和仿真值，结果基本一致，说明了本文仿真研究的有效性。

本文提出的新结构及设计方法，对于新型雨量传感器的开发具有一定的支撑作用。后续将针对现有结构，进一步优化仿真技术，结合模型算法，争取实现雨滴冲击下电压输出的精确模拟。