一种用于超声除冰的PMNT压电换能器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，从顶部到底部依次设置有后盖板、两个压电片和前垫片，后盖板与压电片之间、两个压电片之间、压电片与前垫片之间均设置有电极片，前垫片中心设置有底座，后盖板、压电片、电极片和底座均设有同心圆孔，且各个同心圆孔相连构成衔接通道，衔接通道内安装有螺栓，后盖板上固定有外壳，且外壳围设在压电片和电极片的外侧面。本发明专利技术PMNT压电换能器在输出稳定、功率容量大的同时，还有体积小、质量轻、易于安装等优点，适合安装在飞机上进行除冰。

A PMNT Piezoelectric Transducer for Ultrasound Deicing

The invention discloses a PMNT piezoelectric transducer for ultrasonic deicing, which is sequentially provided with a back cover plate, two piezoelectric pads and a front gasket from the top to the bottom. Electrodes are arranged between the back cover plate and the piezoelectric pad, between the two piezoelectric pads, and between the piezoelectric pad and the front gasket. A base is arranged in the center of the front gasket, and concentric circular holes are arranged in the back cover plate, the piezoelectric pad, the electrode pad and the base. Each concentric circular hole is connected to form a connecting passage. Bolts are installed in the connecting passage, and a shell is fixed on the back cover plate, and the shell is arranged on the outer side of the piezoelectric sheet and the electrode sheet. The PMNT piezoelectric transducer of the invention has the advantages of stable output, large power capacity, small volume, light weight, easy installation, etc., and is suitable for deicing on aircraft.

【技术实现步骤摘要】
一种用于超声除冰的PMNT压电换能器
本专利技术涉及超声除冰
，更具体的说是涉及一种厚度振动型PMNT压电换能器。
技术介绍
随着航空技术的发展，飞机成为重要的出行、运输方式之一，飞行安全始终是航空领域的一个焦点问题。调查发现，飞机结冰是引发飞机失事和事故的重要原因之一，飞机积冰对飞行安全产生了巨大威胁，而现有的除冰方法在能耗、重量等方面表现不尽如人意，还存在着诸多亟需改进的地方，航空领域迫切需要找到一种具有突破性的、更加有效的除冰方法。而超声波除冰是一种新型的除冰方法，其除冰的基本原理是：当超声波在飞机蒙皮与冰层间传播时，由于传播介质的属性不同，会在蒙皮和冰的界面产生速度差，而该速度差会进一步产生界面剪切力。当所产生的界面剪切力超过冰与板的粘接强度时便能够将冰从蒙皮上除下。超声波可以由压电换能器产生。压电换能器是利用压电材料的压电、逆压电效应将电能与机械能(声能)进行互换的器件。现有的换能器均不是以除冰为目的而设计的，因而在性能、体积、重量等方面难以令人满意。通常情况下，基于压电材料的换能器包括弯曲振动模式换能器、夹心式厚度振动型换能器、扭转振动模式换能器等。弯曲振动换能器最为常见的是板弯曲，其振动模式与鼓的简支边界振动较为接近，其基本原理是将两个极化方向相反的压电板粘在一起，当对该板施加交变电压时，上下板的伸缩变形会最终转化为该振子的弯曲振动。工程中通常会将金属片和压电陶瓷片一起构成振动板，直接作为声辐面。弯曲振动换能器具有体积小、重量轻等优点；但此种换能器由于其弯曲振子需要一定的振动空间，当振动声波经过空气再由空气进入板的过程中会出现反射、再反射等现象，在此过程中会有较大的能量损耗，使得真正传入板中的能量大大减小，因此粘在板面除冰时效果不明显，如图1(b)。夹心式厚度振动型压电换能器是使用较多一种，其设计理论已趋于成熟，原理也最为简单：在一块沿厚度方向极化的压电片上下表面通过电极施加交变电压以后能够实现振动发声。实际工程中为了提高声辐射效率、超声波指向性、增加频带宽度等目的，会给压电片增加前辐射头、过渡层、背板吸波材料等部件。对于飞机除冰而言，采用厚度振动型的换能器能够很方便的安装以及取下，而且压电振子发出的能量通过固体与固体传播的方式直接进入板的内部，不会产生过多的超声能量损耗，如图1(a)。一般使用的夹心式厚度振动型换能器虽然输出稳定、功率容量大，但其在设计时为了增大前后振速比，采用了密度较大的后质量块，而且前质量块体积较大，因此换能器总重量较大，不适合装配到飞机上进行除冰。因此，如何提供一种用于飞机除冰的夹心式厚度振动型压电换能器是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，在输出稳定、功率容量大的同时，还有体积小、质量轻、易于安装等优点，适合安装在飞机上进行除冰。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，从顶部到底部依次设置有后盖板、两个压电片和前垫片，所述后盖板与所述压电片之间、两个所述压电片之间、所述压电片与前垫片之间均设置有电极片，所述前垫片中心设置有底座，所述后盖板、所述压电片、所述电极片和所述底座均设有同心圆孔，且各个所述同心圆孔相连构成衔接通道，所述衔接通道内安装有螺栓，所述后盖板上固定有外壳，且所述外壳围设在所述压电片和所述电极片的外侧面。进一步，两个压电片厚度m1相等，均为2.9㎜-3.1㎜，且采用PMNT压电材料，所述压电片的外半径R1为13㎜-16㎜，内半径r1为3.6㎜-3.8㎜。进一步，所述前垫片的外半径以及内半径均与所述压电片相等。进一步，所述电极片的厚度m2为0.2㎜，且选用黄铜，其中，两个所述压电片之间的黄铜为正电极，所述后盖板与所述压电片之间、所述压电片与前垫片之间的黄铜均为负电极。进一步，所述螺栓包括螺钉和螺杆，所述螺钉和所述螺杆的外壁均分布有外螺纹，所述后盖板和所述底座对应的同心圆孔内壁均设置有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹匹配，且所述螺钉固定在所述后盖板上，所述螺杆固定在所述底座上，所述螺钉的半径r2为所述压电片的外半径R1的1/4-1/3，所述外螺纹的螺距为0.3㎜-0.5㎜。进一步，所述外壳的厚度m3为0.4㎜-0.6㎜，且选用环氧塑料。进一步，所述电极片与所述后盖板、所述压电片和所述前垫片之间均通过环氧树脂胶进行粘结。进一步，所述后盖板采用钢材质，中间部位的厚度为1.8㎜-2.2㎜。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，具有以下优点：1、该换能器的设计着眼于飞机除冰的需要，在继承夹心式厚度振动型换能器输出稳定、功率容量大等设计优点的同时将后质量块和前辐射头进行重新设计，用底座和蒙皮充当前质量块，后盖板充当后质量块，将夹心式厚度振动型换能器最重的两部分去掉，因此换能器的质量大大减小。2、当打开超声电源时，由压电片振动产生的声波通过前垫片直接进入蒙皮内部，超声能量的损耗大大减少。3、所设计的压电换能器采用了PMNT材料，性能优异，选用了更薄的压电片，并且工作频率高，因此功率变大，换能器的功率为125.5W，比一般所用的PZT-4换能器(一般为60W)的功率高，在相同时间内可除掉更大面积的冰。4、该换能器易于加工，易于装配，易于安装，有巨大应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1附图为压电换能器超声传播情况，其中图1(a)为厚度振动型压电换能器超声传播情况，图1(b)为弯曲振动换能器超声传播情况，图中箭头方向为超声波传播方向。图2附图为本专利技术提供的用于超声除冰PMNT压电换能器结构示意图。图3附图为本专利技术提供的用于超声除冰PMNT压电换能器立体图。图4附图为本专利技术提供的用于超声除冰PMNT压电换能器尺寸示意图。图5附图为本专利技术提供的PMNT压电换能器除冰模型。图6附图为本专利技术提供的PMNT压电换能器激励作用下点的应力幅值随频率变化图。图7附图为本专利技术提供的PMNT压电换能器在最佳频率激励下板冰界面XY剪应力分布图。图8附图为本专利技术提供的PMNT压电换能器与传统夹心式压电换能器结构对比图。其中，各部件表示：1、后盖板，2、压电片，3、前垫片，4、电极片，5、底座，6、外壳，7、螺栓，71、螺钉，72、螺杆。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例公开了一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，参见附图2和图3，从顶部到底部依次设置有后盖板1、两个压电片2和前垫片3，后盖板1与压电片2之间、两个压电片2之间、压电片2与前垫片3之间均设置有电极片4，前垫片3中心设置有底座5，后盖板1、压电片2、电极片4和底座5均设有同心圆孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，其特征在于，从顶部到底部依次设置有后盖板(1)、两个压电片(2)和前垫片(3)，所述后盖板(1)与所述压电片(2)之间、两个所述压电片(2)之间、所述压电片(2)与前垫片(3)之间均设置有电极片(4)，所述前垫片(3)中心设置有底座(5)，所述后盖板(1)、所述压电片(2)、所述电极片(4)和所述底座(5)均设有同心圆孔，且各个所述同心圆孔相连构成衔接通道，所述衔接通道内安装有螺栓(7)，所述后盖板(1)上固定有外壳(6)，且所述外壳(6)围设在所述压电片(2)和所述电极片(4)的外侧面。

【技术特征摘要】
1.一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，其特征在于，从顶部到底部依次设置有后盖板(1)、两个压电片(2)和前垫片(3)，所述后盖板(1)与所述压电片(2)之间、两个所述压电片(2)之间、所述压电片(2)与前垫片(3)之间均设置有电极片(4)，所述前垫片(3)中心设置有底座(5)，所述后盖板(1)、所述压电片(2)、所述电极片(4)和所述底座(5)均设有同心圆孔，且各个所述同心圆孔相连构成衔接通道，所述衔接通道内安装有螺栓(7)，所述后盖板(1)上固定有外壳(6)，且所述外壳(6)围设在所述压电片(2)和所述电极片(4)的外侧面。2.根据权利要求1所述的一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，其特征在于，两个压电片(2)厚度m1相等，均为2.9㎜-3.1㎜，且采用PMNT压电材料，所述压电片(2)的外半径R1为13㎜-16㎜，内半径r1为3.6㎜-3.8㎜。3.根据权利要求2所述的一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，其特征在于，所述前垫片(3)的外半径以及内半径均与所述压电片(2)相等。4.根据权利要求1所述的一种用于超声除冰的PMNT压电换能器，其特征在于，所述电极片(4)的厚度m2为0.2㎜，且选用黄铜，其中，两个所述压...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐元铭，雷育永，刘若冰，王依兵，李连臣，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11