臺灣博碩士論文加值系統

本研究為改良自行研製的第二代模內壓力感測器及設計新型壓力感測器，在本文中分別稱為第三代、第四代及第五代壓力感測器。在第二代壓力感測器中有三項缺點：第一，在工作環境測試中，當壓力遽升時，因為結構強度不足所以壓電晶體容易碎裂失效。第二，絕緣不良，容易產生短路失效。第三，加工精度不足，導致壓電晶體的反應不穩定。針對三項缺失，本研究在壓電晶體承體部份先後作以下改良；一：利用陶瓷的絕緣性及剛性強的優點來作為壓電晶體承體。二：利用鐵氟龍的絕緣性及耐高溫特性，結合彈簧緩衝，避免壓電晶體短路及碎裂而失效。三：以鐵氟龍製成壓電晶體承體，搭配彈簧墊圈，保護感測器內部結構。第三代、第四代及第五代壓力感測器模型均做結構力學的靜、動態分析，包括壓力感測器工作應力分析，模內壓力與電壓輸出之相應關係，自然頻率、振型及諧振響應分析。由分析結果知其機械特性均優良，其中第三代壓力感測器實作測試結果良好，第四及第五代僅作模擬分析,由分析顯示，自然頻率分別為1.7kHz及10kHz以上，可提高壓力量測時工作頻寬之範圍。

This research is to improve the second generation of mold cavity pressure sensor which was made by oneself and a new pressure sensor is designed, in this paper, which are called the third generation pressure sensor, the fourth generation pressure sensor and the fifth generation pressure sensor . There are three shortcomings in the second generation of pressures sensor: First, in the working environment is tested, when rising hurriedly in pressure, because the strength of structure is insufficient so the piezocrystal is easy to crack. Second, insulation is bad, it is easy to the short circuit and lose function. Third, the machining accuracy is insufficient, it is unstable to cause the response of the piezocrystal. To three disappearances, in this study, the structure of piezocrystal is improved as follows：Utilize insulation of ceramics and rigidity is strong to as the piezocrystal structure. Utilize insulation of the Teflon and its high-temperature characteristic, combine the spring to buffer, prevent the piezocrystal structure from shorting out, cracking and malfunctioning. Utilize the Teflon to make the piezocrystal structure，combine with the spring washer as the inside structure of the pressure sensor to protect the pressure sensor. The third generation pressure sensor , the fourth generation pressure sensor and the fifth generation pressure sensor both do the static, dynamic analysis of structural mechanics, including the working stress analysis of pressure sensor , the relation that the pressure corresponds with what the voltage outputs in the mold, natural frequency, modal shape and transient analysis. It is known by the analysis result that theirs mechanical characteristic are fine, the third generation pressure sensor make test result to be good , the fourth generation pressure sensor and the fifth generation pressure sensor are only analyzed, according to the analysis, natural frequency can reach 1.7kHz and 10 kHz, it can promote the range of working frequency while survey pressure.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 2
1.3文獻回顧 3
1.4 研究目的 4
1.5 論文架構 5
第二章 壓電理論 6
2.1晶體壓電的起源 6
2.2 壓電材料的應用及特性 6
2.2.1 壓電材料 6
2.2.2 壓電材料的應用 7
2.2.3 壓電材料的特性 9
2.3 壓電本構方程式 13
第三章 改良與新型壓力感測器研製 19
3.1 設計需求 19
3.2 第一代與第二代壓力感測器簡介 21
3.3 改良第二代壓力感測器 23
3.3.1 壓力感測器數學模型 23
3.3.2 設計改良 23
3.3.2.1 壓力感測器外型結構改良 24
3.3.2.2 壓電晶體承體材料改良 26
3.4 第四代壓力感測器的設計 30
3.4.1 第四代壓力感測器運作原理 30
3.4.2 設計細部組合圖 30
3.4.3 彈簧預壓的計算 33
3.4.4 壓電晶體承體的材料選用 34
3.4.5 導針設計變更 35
3.5 第五代壓力感測器的設計 37
3.5.1 第五代壓電晶體承體的設計變更 37
3.5.2 彈簧墊圈的選用 37
第四章壓力感測器結構分析 39
4.1 ANSYS運算分析概述 39
4.1.1 元素形式 41
4.1.2 材料參數設定 42
4.1.2 壓電參數設定 44
4.1.3 壓縮彈簧的等效簡化 45
4.1.4 材料阻尼參數 46
4.2 壓電接觸分析 47
4.3 結構模態分析 52
4.3.1 模態分析理論 52
4.3.2 收斂分析 52
4.3.3 第三代壓力感測器模態分析 57
4.3.4 第四代壓力感測器模態分析 60
4.3.5 第五代壓力感測器模態分析 62
4.4 結構動態響應分析 65
4.4.1 簡諧分析理論 65
4.4.1.1第三代壓力感測器之無阻尼簡諧分析 67
4.4.1.2 第三代壓力感測器之有阻尼分析 69
4.4.1.3 第四代壓力感測器之無阻尼簡諧分析 71
4.4.1.4 第四代壓力感測器之有阻尼簡諧分析 72
4.4.1.5 第五代壓力感測器之有阻尼簡諧分析 74
4.4.2 暫態動力學分析 76
4.4.2.1 暫態動力學原理 76
4.4.2.2 結構暫態響應分析 77
4.4.2.3 第三代壓力感測器之暫態分析 77
4.4.2.4 第四代壓力感測器之暫態分析 78
4.4.2.5 第五代壓力感測器之暫態分析 79
第五章 實測驗證 80
5.1 實驗目的 80
5.2 實驗系統 80
第六章 結果討論與建議 82
6.1 結果討論 82
6.2 建議 85
參考文獻 86

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