Технические характеристики

[5]

Пьезоэлектрические датчики вибрации

Пьезодатчики вибрации или векторные виброакселерометры применяются для определения режимов вибрации различных машин и механизмов. Область применения датчиков вибрации пьезоэлектрических МВ-06, МВ-37, МВ-38: Авиация, автотранспорт, морской и железнодорожный транспорт.

Датчики вибрации пьезоэлектрические МВ-06, МВ-37, МВ-38 предназначены для: - Преобразования ускорений в широкой полосе частот - Работы в составе аппаратуры контроля вибрации авиационных ГТД. Достоинства: - Высокая надежность, высокий срок службы - Малые масса и габариты - Выходной сигнал дифференциальный, изолирован от корпуса датчика

[5,6]

Волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления

Волоконно-оптический пьезоэлектрический датчик импульсного давления (см. Толстиков И.Г., Мартыш-кин В.П., Долгов В.И. Заявка на изобретение «Емкостный датчик», № 2005110481 от 11.04.2005) содержит чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента с входным и выходным электродами на двух противо-положных поверхностях, перпендикулярных полярной оси пьезоэлемента, и измерительную линию (см. рис. 7—9). При этом входной и выходной электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, а измери-тельная линия выполнена в виде оптического канала для измерения параметров движения поверхности пьезо-элемента с выходным электродом. Одним из вариантов выполнения чувствительного элемента датчика являет-ся полностью экранированный пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза с нанесенным на всю его поверх-ность проводящим покрытием. Ультразвуковые колебания зондируемой лазерным лучом свободной поверхно-сти такого полностью экранированного пьезоэлемента возникают за счет внутренних электрических полей, индуцированных ударной волной с момента ее прихода на нагружаемую поверхность пьезоэлемента. Прототи-пом является известный пьезоэлектрический датчик импульсного давления [19, 20] с электрическим выходом, предназначенный для регистрации профиля давления (напряжения) плоской ударной волны при одномерном нагружении.

Пьезоэлектрический датчик импульсного давления содержит корпус, чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента (диска) из кварца х-среза с входным и выходным электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси х пьезоэлемента и направлению распро-странения импульса давления. Входной и выходной

Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.

Электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, например, путем нанесения на все поверхности чувствительного элемента, свободные от плоских электродов , дополнительного сплошного электрода с образованием полностью экранированной конструкции. В случае, если пьезоматериал в отличие от кварца обладает не только продольным, но также и поперечным пьезоэффектом, когда при деформации вдоль рассматриваемой полярной оси поляризационные заряды возникают также и на боковой поверхности пьезоэлемента, последняя изолируется слоем диэлектрика. Слой диэлектрика может наносится также с це-лью уменьшения влияния боковой разгрузки. Измерительная линия выполнена в виде оптического канала, содержащего (отражающую) поверхность выходного электрода и волоконный световод, торец которого направлен к центру пьезоэлемента. Волоконный световод обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору (интерферометру).

Принцип действия пьезоэлектрического датчика импульсного давления (кварцевого датчика) заключается в том, что в процессе преобразования информативного сигнала чувствительный элемент датчика используется не только в качестве (механоэлектрического) преобразователя механической энергии нагружающего импульса в электрическую за счет прямого пьезоэффекта как в прототипе, но и одновременно в качестве (электромеха-нического) преобразователя электрической энергии в механическую за счет обратного пьезоэффекта. При этом прямое преобразование происходит в сжатой, а обратное - в несжатой зонах пьезоэлемента, разделенных дви-жущимся волновым фронтом. Поэтому геометрические размеры этих зон (преобразователей) изменяются со временем: ширина сжатой зоны увеличивается и равна U⋅t, а ширина несжатой зоны соответственно уменьша-ется и равна L—U⋅t в любой момент времени 0 ≤ t ≤ T. Преобразование информативного сигнала в рассматри-ваемом датчике происходит в интервале времени 0 ≤ t ≤ T по следующему новому пути: исследуемый профиль импульса давления р(t) в образце — профиль упругой волны σ(t) в пьезоэлементе – временная зависимость электрического поля в несжатой зоне Е1(t) — профиль вторичной упругой волны σr(t), возникающей за счет обратного пьезоэффекта в несжатой зоне и движущейся в обратном направлении от выходного электрода к входному — временная зависимость скорости (смещения) выходной поверхности пьезоэлемента w(t) — реги-стрируемый с помощью лазерных интерферометрических методов оптический сигнал.

Основные соотношения для связи между регистрируемым сигналом w(t) и давлением р(t) в образце записываются здесь следующим образ

р(t) = σ(t)⋅Zо;

Р(t) = к⋅σ(t), для прямого пьезоэффекта;

Е1(t) = к⋅σ(t)⋅t / ε⋅ε0⋅T;

σе (t) = е⋅Е1(t), для обратного пьезоэффекта в несжатой зоне;

w(t) = σе (t) / ρ ⋅U;

р(t) = К0⋅w(t) / t;

где ε0 — электрическая постоянная; σе (t) — механическое напряжение, индуцированное полем Е1(t) в несжа-той зоне; e — пьезоконстанта пьезоматериала, e11 для кварца х-среза; ρ - плотность пьезоматериала; К0 = ε⋅ε0⋅ρ ⋅L⋅Zо / e⋅ к — константа в конкретном опыте.

Как видно из последнего соотношения искомый профиль импульса давления р(t) можно легко получить из экспериментальной зависимости w(t) расчетным путем.

Пьезоэлектрический датчик импульсного давления функционирует следующим образом. Датчик устанав-ливается на поверхность исследуемого образца. Плоская ударная волна (импульс давления) р(t) из образца переходит через контактную поверхность в датчик и вызывает появление в пьезоэлементе 3 упругой ударной волны σ(t), движущейся со скоростью U и вызывающей, в свою очередь, диэлектрическую поляризацию Р(σ) пьезоматериала в сжатой зоне пьзоэлемента

случая, когда направление движения волны σ(t) совпадает с направлением вектора Р(σ) и, следовательно, полярной оси х кварца. Индуцированный поляризацией заряд стекает с электродов 4 и 5 через дополнительный электрод (нагрузку) 7, сопротивление R которого близко к нулю. Поэтому пьезопреобразователь работает в режиме источника тока и становятся справедливыми приведенные выше соотношения и теория пьезоэлектри-ческого (кварцевого) датчика [1, 19, 20]. В соответствии с последней, несмотря на то, что напряжение между электродами 4 и 5 равно нулю, внутри пьезоэлемента возникают сильные электрические поля как в сжатой 13 (поле Е2), так и несжатой 14 (поле Е1) зонах, разделенных фронтом ударной волны σ(t), направление которых показаны соответствующими стрелками на рис. 8. В несжатой зоне 14 поле Е1 монотонно (линейно при σ = const) увеличивается со временем от нулевого значения до максимального Еmax= к⋅σ(t) /ε⋅ε0 в интервале 0 ≤ t ≤ T. В сжатой зоне 13 поле Е2 наоборот уменьшается аналогичным образом. При появлении электрическо-го поля в несжатой зоне 14 мгновенно возникают механические напряжения σе (t), обусловленные обратным пьезоэффектом, релаксация которых происходит путем образования на свободной поверхности пьезоэлемента вторичной упругой волны 15 σr(t), движущейся со скоростью U в направлении от выходного электрода 5 к входному 4, противоположном направлению распространения основной волны σ(t). Отметим, что, поскольку поле Е2 стремиться противодействовать сжатию волны σ(t), а поле Е1 направлено в противоположном Е2 направлении, то напряжение σе (t) является сжимающим в рассматриваемом случае, а волна σr(t) есть волна разгрузки. Волна σr(t) образуется в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности пьезоэлемента с выходным электродом непрерывно в интервале времени 0 < t < T, поскольку механическое напряжение в непосредствен-ной близости к этой поверхности, равное σе(t), монотонно растет вместе с полем Е1. При этом названная по-верхность движется со скоростью w(t) = σе(t) / ρ⋅U, определяемой из закона сохранения количества движения [1, 20], в направлении, противоположном направлению распространения волныσr(t). Прецизионное измерение скорости свободной поверхности w(t) непосредственно или ее смещения с последующим диффе-ренцированием и определением w(t) расчетным путем производится с помощью оптического канала, содержащего (отражающую) поверхность выходного электрода и волоконный световой, торец которого направлен к центру пьезоэлемента. Волоконный световой обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору, например, лазерному интерферометру для измерений ультразвуковых колебаний [13, 16]. Исследуемый импульс давления в образце р(t) = К0⋅w(t) / t определяется по экспериментальной зависимости w(t), расчетным путем.

С момента t = T прихода на свободную поверхность с выходным электродом основной упругой волны σ(t) в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности образуется волна разгрузки, движу-щаяся от выходного электрода 5 к входному 4, а свободная поверхность движется в противоположную сторону со скоростью W, значительно превышающей скорость w. Поэтому в момент времени t = Т происходит резкий скачок скорости свободной поверхности, который точно регистрируется. Измерение скорости W с помощью оптического канала позволяет получить дополнительную информацию об исследуемом импульсе, в частности, определить его амплитуду р0 =ρ ⋅U⋅Wmax⋅ Zо и длительность переднего фронта.

Приведем расчетный пример. При нагружении кварца х-среза плоской ударной волной амплитудой σ = 1 ГПа поляризация в сжатой зоне составит Р = к⋅σ = 2,01 мКл/м2, максимальная напряженность электриче-ского поля — Еmax = Р/ε⋅ε0 = 50,4 кВ/мм, амплитуда σr вторичной волны σr =σе(T) = e11⋅Е1(T) = 9,1 МПа, мак-симальная скорость wmax свободной поверхности — wmax = σе(T) / ρ ⋅U = 0,6 м/c. При этом деформация пьезо-элемента толщиной L = 1мм в момент времени t = T составит приблизительно величину 50 нм, значительно превышающую чувствительность современных интерферометров, оцениваемую значением не менее 10-4 нм. Скорость Wmax свободной поверхности составит Wmax = σ / ρ ⋅U = 66 м/c. Для расчета приняты значения: к=2,01пКл/Н, ε0 = 8,854⋅10-12Ф/м, ε = 4,5, e11 = 0,18 Кл/м2, ρ =2,65 ⋅103 кг/м3, U = 5,72 км/c.

Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4 (ПЭП 3-1, ПЭП 3, и т.п.) предназначены для создания в жидкостях ультразвуковых колебаний, их приема с последующим преобразованием в электрический сигнал в составе ультразвуковых счетчиков жидкостей и тепла.

Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4 (ПЭП 3-1, ПЭП 3, и т.п.) используются для комплектации счетчиков воды, жидкостей, тепла, а также для ремонта узлов учета энергоносителей на базе ультразвуковых расходомеров US-800, UFM-001, UFM-003, UFM-005, УЗР (или аналогичных ультразвуковых расходомеров время-импульсного принципа действия), а также в новых разработках ультразвуковых расходомеров воды, нефтепродуктов или других жидких сред.

О тличительные особенности и преимущества:

• Универсальность применения!

Пьезоэлектрические датчики ПЭП успешно эксплуатируются в системах, контролирующих расход холодной и горячей вода, загрязненной и теплофикационной воды, нефтепродуктов, химических веществ, пищевых продуктов и т.п. в трубопроводах диаметрами до 1800 мм.

• Диапазон рабочих температур от -40 до +150 С!

• Давление жидкости до 6,3 МПа!

Высокая чувствительность! Капсулирование пьезоэлемента в композиционный материал позволяет при эксплуатации УЗ датчика ПЭП сохранить постоянную амплитудно-частотную характеристику, поскольку не требует постоянного поджима элементов преобразователя. Чувствительность и длительность с крутым формируемым импульсом сохраняются при вибрационных нагрузках, индустриальных шумах, грохоте, свисте и т.д. Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП отличаются повышенной надежностью и простотой конструкции. Обеспечивают высокую степень акустического согласования с объектом контроля, имеют акустический (электрический) сигнал высокой крутизны и

• малой длительности, не искаженный акустическими помехами.

Удобное соединение и подключение!Используются высокопрофессиональные промышленные разъемы HIRSСHMANN (Германия). Надежная фиксация вилочной и розеточной частей с помощью винта позволяет работать в условиях повышенной вибрации. Исключается операция пайки. Имеют в подключенном состоянии степень защиты IP67.

Применение сегнетоэлектриков в приборостроении

Введение

Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величины и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией, сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многих отношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых намагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своей микроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.

Сегнетоэлектрики отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительной технике.

Сегнетоэлектрики обладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах силы связи носят главным образом электрический характер, и тот факт, что в сегнетоэлектриках эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчает их изучение,

В термине «сегнетоэлектрики» нашел свое отражение тот факт, что первые сегнетоэлектрические свойства были обнаружены у сегнетовой соли. Позднее, однако, выяснилось, что сегнетова соль является не типичным сегнетоэлектрическим кристаллом.

Сегнетоэлектрики являются твердыми телами, причем все они неметаллы. Свойства сегнетоэлектриков проще всего изучать, если вещество находится в монокристаллическом состоянии.

Изучение свойств ферромагнетиков, известных с глубокой древности, началось примерно с 1600г; в дальнейшем исследования Вебера и Эвинга привели уже в 1907г к известной теории Вейса. Сегнетоэлектричество же было открыто лишь в 1921г Валашеком в сегнетовой соли. В настоящее время известно уже более 700 веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами.

Тремя наиболее яркими особенностями сегнетоэлектриков являются обратимая поляризация, «аномальные» свойства и нелинейности. Большинство сегнетоэлектриков перестает быть сегнетоэлектриками выше некоторой температуры ТK, называемой температурой перехода. Аномальное поведение вблизи ТK, вероятно не менее важно, чем обратимая поляризация, но оно не является достаточным определением сегнетоэлектрика. При температуре ТK диэлектрическая проницаемость резко возрастает до весьма больших значений; именно эти большие значения в окрестности ТK называют аномальными значениями.