应用案例

　　实验名称：压电换能器预应力调控与性能测试实验

　　研究方向：该研究以圆管、球形预应力压电换能器为对象，聚焦预应力定量施加，借机电等效模型与有限元优化结构，建纤维缠绕-预应力映射关系实现精准控制；探究预应力对压电陶瓷电学性能的影响以明确最佳预应力、提升声辐射性能，同时研究其热稳定性与发热机制，为相关领域应用提供支撑。

　　实验目的：实现圆管与球形压电换能器预应力的定量施加与精准控制，明确最佳预应力参数；探究预应力对压电陶瓷电学性能及换能器声辐射性能的影响规律；研究预应力换能器热稳定性与发热机制，为其在混凝土基桩检测、海洋水声探测等场景的可靠应用提供实验依据。

　　测试设备：本研究使用的仪器包括信号发生器、功率放大器、红外热成像仪、四通道温度仪、示波器、电子扭矩扳手、多功能静态应变仪。

　　实验过程：实验中先选取PZT-4、PZT-5压电陶瓷及玻璃纤维等原料，通过螺栓结构施加单轴预应力，控制纤维张力、层数等参数以纤维缠绕工艺施加二维/三维径向预应力，制备圆管与球形预应力压电换能器；随后搭建测试系统，用信号发生器生成激励信号，经功率放大器放大后驱动换能器，结合E4990A阻抗分析仪测谐振频率、介电损耗等电学性能，借助基桩声波检测仪、标准水听器测声速、声源级等声辐射性能，同时用红外热成像仪、温度仪监测换能器连续工作时的温度变化；还通过COMSOLMultiphysics构建有限元模型，仿真应力分布与谐振特性，对比理论计算与实验结果，验证预应力控制精度及性能提升效果。

　　图1压电陶瓷和换能器连续工作温度和热分布监测平台

　　图2在不同单轴预应力作用下,压电陶瓷圆管表面温度随时间的变化

　　实验结果：为明确预应力对压电陶瓷圆管表面热分布的影响，以2.86W输入电功率，对单轴预应力0MPa、9.36MPa、18.72MPa的压电陶瓷圆管，连续工作5min后用红外热成像仪测其表面温度分布。压电陶瓷圆管产热会使自身表面升温，并传导至相邻尼龙垫片与空气；因空气导热最差（热导率0.026W/(m·K)），尼龙垫片导热（0.13~0.25W/(m·K)）弱于压电陶瓷（2~3W/(m·K)），尼龙垫片温度更高且呈峰值。随单轴预应力增至18.72MPa，尼龙垫片最高温从34.5℃升至36.8℃，与环境温差达15℃；因预应力增大使陶瓷介电损耗增加、电能更多转热能，换能器最高温较无预应力时高2.3℃，说明单轴预应力会加剧陶瓷圆管发热。

　　图3不同单轴预应力作用下连续工作5min,压电陶瓷圆管表面的红外热成像图

　　图4单轴预应力压电陶瓷圆管连续工作前后电导谱的变化

　　电压放大器推荐：ATA-2088

　　图：ATA-2088高压放大器指标参数

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