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Numerical simulation and performance optimization of underwater piezoelectric artificial lateral line sensor for flow velocity sensing

水下 直线(几何图形) 声学 压电 计算机模拟 流量(数学) 材料科学 工程类 地质学 机械 模拟 物理 数学 几何学 海洋学
作者
Hao Dai,Shouheng Chen,Jianhua Wang,Hao Dai,Yuan Xie
出处
期刊:Journal of Micromechanics and Microengineering [IOP Publishing]
卷期号:35 (6): 065011-065011
标识
DOI:10.1088/1361-6439/ade449
摘要

Abstract In complex underwater flow environments, traditional sonar or vision systems face challenges such as high power consumption, low resolution, and weak anti-interference capabilities, making them insufficient for precise perception required by underwater robots. To enhance flow velocity sensing accuracy while achieving structural lightness and functional integration, this study designs a piezoelectric artificial lateral line sensor inspired by the lateral line system of fish. A two-dimensional piezoelectric-fluid-structure interaction model is constructed using the COMSOL multiphysics simulation platform to systematically investigate and optimize the sensor’s structural parameters. Simulation results reveal that the height of the cilium significantly affects the sensitivity of the sensor. The cilium position exhibits a linear correlation with output voltage, offering theoretical support for directional sensing. Localized suspension at the cilium base enhances structural flexibility, increasing sensitivity from 28.2 mV (m/s) −1 to 66.5 mV (m/s) −1 ; however, excessive suspension may cause instability. The optimal piezoelectric layer thickness is found to be within the range of 4–8 μ m, balancing output voltage (up to 0.32 mV) and material cost. This study reveals the influence mechanisms of structural parameters on sensor performance both qualitatively and quantitatively, providing theoretical guidance and design references for the engineering application of artificial lateral line sensors in microscale underwater flow field sensing.
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