雨量傳感器用壓電換能器設計仿真研究

張靈舒，王登攀，李 軍，劉 暢

(1.中電科技集團重慶聲光電有限公司，重慶 401332；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

降雨測量是氣象觀測的一個重要環節，與人們日常生活密切相關，時刻影響著社會生產與日常生活，在預測天氣、防汛抗旱及地質災害監測等方面都具有很強的指導意義。降雨的測量宏觀量包括降雨量、降雨時間、降雨強度及降雨的空間分布特征等；微觀量包括雨滴的大小、形狀、速度、相態、構成、pH值及譜分布等。在武器裝備等應用領域，車載氣象傳感器與手持氣象傳感器對于雨量傳感器有較強的需求。目前常見的降雨測量設備主要涉及翻斗式雨量計、虹吸式雨量計、感雨器、超聲雨量傳感器、光學雨滴譜儀、視頻雨滴譜儀、聲學式雨滴頻譜儀和壓電式雨量傳感器[1]。

壓電式雨量檢測方法可以實現實時測量雨量和雨滴粒徑信息，檢測基礎是逐個測量雨滴的落地動量，再由雨滴動量計算雨滴的體積和等效直徑，累加后得到降雨量并統計雨滴譜[2]。現有壓電式降水測量儀器存在的主要問題是難以保證對大雨、小雨及降雨微觀特征都具有較高的測量精度[3]。因此，本文首先提出一種新型換能器結構設計，并針對不同材料下的新型結構進行雨滴沖擊試驗，形成一系列電壓仿真分析結果；其次分析雨滴在新型結構表面從無到有形成水膜的電導及諧振頻率的變化，驗證新型結構拓寬雨量計對小雨量檢測的下限。

1 壓電換能器結構設計

1.1 技術現狀

壓電換能器由金屬殼體和粘貼在金屬殼體內部的圓形壓電陶瓷片兩部分組成。雨滴跌落到傳感器上，并與傳感器表面相互作用，金屬殼體在雨滴的沖擊下會產生微小的機械振動。壓電陶瓷片在振動時由于機械應力的作用會在電極間產生電壓差，對外輸出電信號。雨滴的沖擊力越大，則振動幅度越大，壓電換能器輸出電壓的幅值也越大。因此，通過采集壓電換能器輸出信號可以得到雨滴對傳感器表面的沖擊力，間接測量雨滴下落動量，從而得到雨滴粒徑大小。

1.2 傳統結構設計

圖1為傳統雨量傳感器核心換能結構。該結構包括壓電陶瓷片、殼體和底座等。根據第1.1節的理論分析可知，該結構主要通過檢測雨滴沖擊殼體產生的聲信號來實現雨量的檢測。該結構采用全封閉式金屬殼封裝，抗沖擊能力強，因此，大雨滴檢測能力強。但當雨滴過小，無法檢測其對殼體沖擊產生的聲信號，后端檢測系統將認為此時無雨，從而引起漏報，使雨量計的檢測精度受到影響，因此需對傳統的雨量計換能結構進行改進，提高小雨滴的檢測能力，從而提高雨量計的整體精度。

圖1 傳統雨量傳感器核心換能結構剖面圖

1.3 新型換能器結構設計

在保留傳統換能器檢測大雨量能力的同時，提出了一種四周增加壓電雙晶片的新結構，如圖2所示。雙晶片既可采用傳統的壓電陶瓷，也可采用壓電纖維復合材料，以提高檢測靈敏度。雙晶片檢測雨滴主要采用兩種方式：

1) 雨滴沖擊雙晶片直接產生的電壓脈沖信號。

2) 檢測在雙晶片表面雨滴產生的水膜引起的阻抗特性變化。

對于阻抗特性的變化，小雨滴或霧氣都可能在雙晶片表面產生水膜，由于水的表面張力，在雙晶片尺寸一定的情況下，能產生的水膜最大厚度應是一定的。但針對不同的雨滴粒徑，水膜從生成到達到最大厚度的過程不同，這可作為檢測雨量的參數之一，可拓寬壓電式雨量傳感器的檢測下限。

圖2 兼顧小雨滴檢測的新型換能結構

2 新型雨量傳感器換能結構仿真

2.1 中心部分換能結構的仿真

為了模擬新型雨量傳感器換能結構在雨滴沖擊下的電壓輸出，本文采用基于ANSYS的瞬態分析進行了仿真。

首先建立有限元模型如圖3所示。其中壓電陶瓷材料選擇PZT5，單元為solid226；粘接劑選擇環氧樹脂，單元為solid186；金屬殼體選擇不銹鋼，單元為solid186。對于金屬殼體的材質，前期經過了基于互易原理的靈敏度仿真，不銹鋼材料與硬鋁和鈦合金等金屬的性能表現相當。因此，本文選擇不銹鋼作為金屬殼體材料。

圖3 瞬態響應分析用3D模型

圖3所示模型參考了現有雨量傳感器換能結構，也是新型雨量傳感器中心部分的換能結構，其主要用于測量大雨滴，根據文獻[4]報道的雨滴終速數據，分析了施加壓強1 270 Pa、持續時間為0.1 s時得到的電壓輸出，如圖4所示。圖中，nd1～nd4分別為對應圓形結構距中心0、10 mm、20 mm及30 mm位置，壓強面積為25 mm2。由圖4可看出，模型中nd1、nd2與nd3、nd4的輸出電壓相反。因此，如果雨滴同時作用到4個位置時，輸出電壓會發生抵消，且隨著雨滴減小，電壓輸出會相應減小，對小雨滴測量難度較大，這也是本文提出增加外圍換能結構的原因。

圖4 中心部分不同位置的電壓輸出

2.2 外圍壓電雙晶片換能結構的電壓輸出仿真

對于外圍換能結構，基于壓電陶瓷材料的壓電雙晶片是已選擇的結構之一，壓電陶瓷片采用PZT5，單元為solid226；基板采用不銹鋼，單元為solid186，模型如圖5所示。雙晶片一端固定，分別對距固定端2.6 mm、5.2 mm、7.8 mm、10.4 mm及13 mm處施加1 270 Pa的壓強，持續時間為0.1 s，得到的仿真數據如圖6所示。由圖可看出，隨著與固定端距離的增加，輸出電壓不斷增大，距離13 mm處輸出電壓最大，幅值可達0.25 V。

圖5 壓電雙晶片3D模型

圖6 雨滴沖擊下壓電雙晶片的電壓輸出

2.3 壓電纖維復合材料雙晶片換能結構的電壓輸出仿真

基于壓電纖維復合材料的雙晶片也是已選擇的外圍換能結構之一，壓電纖維采用PZT5，單元為solid226；填充材料選擇環氧樹脂，基板采用不銹鋼，單元為solid186，壓電纖維復合材料模型如圖7所示。雙晶片模型如圖8所示。雙晶片一端固定，分別對距固定端2.6 mm、5.2 mm、7.8 mm、10.4 mm、13.0 mm處施加1 270 Pa的壓強，持續時間為0.1 s，壓電纖維復合材料雨滴沖擊下得到的仿真數據如圖9所示。壓電纖維復合材料雙晶片雨滴沖擊下得到的仿真數據如圖10所示。

圖7 壓電纖維復合材料有限元模型圖

圖8 壓電纖維復合材料雙晶片結構有限元模型圖

圖9 壓電纖維復合材料雨滴沖擊下的電壓輸出

圖10 壓電纖維復合材料雙晶片雨滴沖擊下的電壓輸出

由圖9可看出，壓電纖維復合材料受到雨滴沖擊時，整體輸出電壓較低，最高為0.008 V；隨沖擊位置的變化規律相同，沖擊距離越遠，輸出電壓越高；受到沖擊時材料需要一定的響應時間，在沖擊(0.1 s)結束后，材料輸出較高電壓，這可能與材料本身的機械品質因數較低有關。由圖10可看出，壓電纖維復合材料雙晶片受到雨滴沖擊時，輸出電壓較高(大于1.2 V)，遠高于壓電陶瓷雙晶片的輸出電壓(0.25 V)，說明其更適用于當前結構。由于沖擊位置的變化規律相同，沖擊距離越遠，則輸出電壓越高。

對于不同的基板材料，分別仿真了不銹鋼、有機玻璃、鈦合金、玻璃鋼(GRPA)(纖維絲沿長度方向)、鋁合金等，除有機玻璃輸出電壓較低外，其他材料的基板電壓輸出相當，其原因可能是有機玻璃楊氏模量低于壓電纖維復合材料沿纖維方向的楊氏模量，而其他基板的楊氏模量均高于該復合材料。不同基板的壓電纖維復合材料雙晶片沖擊時得到的仿真數據如圖11所示。

圖11 不同基板壓電纖維復合材料雙晶片雨滴沖擊下的電壓輸出

綜上可知，壓電纖維復合材料雙晶片結構更適用于外圍換能結構[5]。

2.4 壓電纖維復合材料雙晶片覆蓋水膜時的阻抗特性仿真

在圖8所示模型上方建立一層水膜模型，單元類型為fluid30，流體材料為水，分別對不同厚度的水膜進行諧波響應分析，得到電導隨水膜厚度的變化規律，如圖12所示。

圖12 電導隨水膜厚度的變化

由圖12可看出，在壓電纖維復合材料雙晶片表面形成厚0～1.2 mm水膜的過程中，均能捕捉到電導及諧振頻率的變化，在后續研究中可通過模型和算法計算出各厚度水膜形成時的累計雨量，并通過最小二乘擬合和數據庫比對等方法進一步推算出雨滴體積。該仿真模型表明，新型結構設計拓寬了檢測雨量的下限，提高了雨量計的靈敏度。

3 沖擊作用下電壓輸出的試驗驗證

為了驗證仿真結果的有效性，利用傳統的雨量傳感器換能結構，在約1 m的高度用滴管產生的液滴模擬雨滴終速對結構中央進行沖擊，得到的信號輸出如圖13所示。在0.1 s附近信號峰-峰值約35 mV，與圖4中nd1在0.1 s時電壓輸出結果基本相同，由此證明本文所進行的仿真結果具備有效性。

圖13 雨滴沖擊下電壓輸出實測值

4 結束語

本文提出了一種新型的雨量傳感器換能結構，其中包括中心弧形結構及外圍的雙晶片結構。利用ANSYS有限元仿真軟件對其進行瞬態及諧波響應分析，得到中心弧形結構、壓電雙晶片、壓電纖維復合材料、壓電纖維復合材料雙晶片等結構對于不同沖擊位置的電壓輸出，以及壓電纖維復合材料雙晶片對不同水膜厚度的電導和諧振頻率的變化情況，驗證了新結構拓寬了檢測雨量的下限，為后續精確測量雨滴粒徑提供思路。

為了驗證仿真的有效性，對比了雨滴沖擊下中心結構的電壓輸出的實測值和仿真值，結果基本一致，說明了本文仿真研究的有效性。

本文提出的新結構及設計方法，對于新型雨量傳感器的開發具有一定的支撐作用。后續將針對現有結構，進一步優化仿真技術，結合模型算法，爭取實現雨滴沖擊下電壓輸出的精確模擬。