Перспективы развития пьезоэлектрических датчиков быстропеременных, импульсных и акустических давлений

Датчики, или первичные измерительные преобра­зователи, являются важнейшими элементами информационно-измерительных систем. Они, преобразуя неэлектрические физические величины в электрические сигналы, находят бесчисленные области применения во всех сферах жизнедеятельности человека.

Анализ задач измерений динамических процессов в ракетно-космической (РКТ) и авиационной технике показал, что потребность в пьезоэлектрической датчиковой аппаратуре (датчиках быстропеременных и акустических давлений), применяемой для этих целей, постоянно увеличивается. Важность контроля динамического давления обусловлена тем, что этот параметр является источником возбуждения механических колебаний конструкций. Инерционные силы, возникающие при этом, приводят к возникновению напряжений, которые могут превышать пределы прочности конструкций, а длительное воздействие инерционных сил приводит к усталостным разрушениям материалов. Эти датчики также являются ключевым звеном в решении проблем автоматизации систем управления сложными промышленными, энергетическими и транспортными объектами.

Все более жесткие комплексные требования, предъявляемые к датчикам, устанавливаемым на объектах РКТ, такие как точность измерения переменных давлений на уровне 1...2 % в эксплуатационных условиях, виброустойчивость 600... 1200 g, термоустойчивость от -256 до +700 °С, повышенные требования по надежности (Р > 0,999), ресурсу (до 100 тыс. ч.), срокам сохраняемости (до 25 лет) могут быть реализованы при условии применения датчиков высокого уровня развития.

Перспективная датчиковая аппаратура должна обеспечивать измерение быстропеременных давлений на уровне статического давления от 0,1 до 2500 кгс/см² с амплитудой от 0,005 до 100 кгс/см² в частотном диапазоне от 5 до 150000 Гц при воздействии температуры рабочей среды от -253 до +900 °С, виброускорений до 600 g и при этом иметь высокую точность (погрешность измерения в рабочих условиях 3...5 %), длительный срок хранения (до 25 лет), увеличенный ресурс работы (до 500 ч), высокую надежность и помехоустойчивость, малые габариты (M10xl), работать в спецсредах при многоразовом использовании.

Пьезодатчики, предлагаемые для разработки с целью последующего применения при измерении вышеперечисленных параметров, просты по конструкции, надежны, дешевы, имеют исключительно высокие эксплуатационные характеристики, длительный ресурс работы, малые габариты, обеспечивают многоразовое применение, диагностирование целости электрических цепей и не требует источников питания.

К настоящему времени благодаря многолетнему тесному творческому и производственному сотрудничеству НИИФИ и Ростовского на Дону филиала (РДФ) НИИФИ — НКТБ "Пьезоприбор" создана широкая номенклатура пьезодатчиков быстропеременных и акустических давлений (табл. 1,2), которые успешно эксплуатируются на изделиях РКА и с помощью которых решены многие задачи по отработке изделий РКТ (комплексы "Энергия-Буран", "Протон", "Ангара", международные программы "Морской старт", "Аль­фа"), а также изделий авиационной техники, тепло­энергетического комплекса (ТЭК), автомобилестроения, железнодорожного транспорта, нефтяной и химической промышленности.

С учетом возрастающих требований создается унифицированный ряд датчиков нового поколения (ДПС 009 — ДПС 014), охватывающий диапазон измерения от 0,05 до 56 кгс/см² на уровне статических давлений от 0,5 до 1250 кгс/см² при температуре измеряемой среды от -253 до +700 °С (без охлаждения). В перспективе возможно повышение температуры измеряемой среды до +900 °С. Датчики имеют большой назначенный срок службы (15 лет) и широкий частотный диапазон — от 10 до 50000 Гц. Технические характеристики датчиков приведены в табл. 1.

Таблица 1

Индекс	Диапазон измерений, МПа		Основная погрешность, %	Температуоа измеряемой среды, °С
	динамических	статических
ДПС 008	0,0005...2,5	5,6	12	-196...+150
ДПС011	0,005...0,5	0,05...5,6	4	-196...+200
ДПС 013	0,005...0,5	0,05...5,6	8	-60...+700
ЛХ610	0,005...0,5	0,05...5,0	10...14	-196...+200
Вт 306	0,01...0,5	0,05...5,6	10	-196...+200
ЛХ 612М	0,045...5,6	2,8...63	12	25...1000
ЛХ604	0,05...5,0	3,0...60	10	-196...+200
ЛХ608	0,05...5,0	3,0...60	10	25... 3000
ДПС 003	0,05...5,6	2,8...63	10	-60...+2500
ДПС 009	0,05...5,6	2,8...63	4	-196...+200
ДПС 012	0,05...5,6	2,8...63	8	-60...+700
ДПС 016	0,05...25	—	5	-60...+250
ДПС 010	0,12...5,6	11...125	4	-196...+200
Вт 308М	0,12...5,6	63	10	-196...+200
ДПС 014	0,12...5,6	22,4...125	8	-60...+700
Вт 309	0,25...5,6	11...90	10	-196...+200
ДПС 015	0...30-	—	10	±60

Созданные датчики быстропеременных давлений по своим метрологическим, эксплуатационным и габаритно-массовым характеристикам не уступают лучшим зарубежным образцам. Совершенствование продолжается в направлениях повышения термоустойчивости, виброустойчивости, оснащения нормализующими усилителями заряда.

Для измерения акустических давлений к настоящему времени созданы датчики типа ДХС, обеспечивающие диапазоны измерения от 85 до 194 дБ в рабочем диапазоне температур от -196 до +200 °С (см. табл. 2).

Таблица 2

Индекс	Диапазон измерений, кПа	Погрешность, дБ	Температура измеряемой среды, °С
ДХС 513	85...125	1,2	-10...+40
ДХС 514	125...185	1,0	-180...+200
ДХС 517	125...185	3,0	-70...+200
ДХС 515	140...190	1,0	-100...+200
ДХС 516	140...190	2,0	25...200
ЛХ610	150...194	1,2	-196...+200

Для повышения технического уровня датчиков ведутся работы в направлениях: • создания встраиваемого в кабель нормализующего усилителя заряда; • уменьшения погрешности до 1,0 дБ; • расширения частотного диапазона от 2 до 10 кГц; • расширения температурного диапазона до +300 °С; • увеличения назначенного срока службы до 15 лет; • уменьшения габаритов.

При этом используется прогрессивный принцип создания унифицированных рядов, позволяющий в каждом конкретном случае подобрать из состава ряда ту модификацию, которая дает наиболее достоверную информацию измеряемого параметра.

НИИФИ в настоящее время проводит работы по следующим направлениям

Унифицированный ряд малогабаритных высокотемпературных датчиков быстропеременных давлений

Датчики предназначены для измерения быстропеременных давлений жидких и газообразных сред и имеют диапазоны измерений от 0,05 до 56 кгс/см² на уровне медленноменяющихся давлений от 0,5 до 2500 кгс/см² в частотном диапазоне от 40 до 150000 Гц при температуре до (700...900) °С без принудительного охлаждения. Основная погрешность датчиков 3...6 %, масса с кабелем не более 40 г, установочные размеры M10x1 мм. Датчики обладают высокими стабильностью и надежностью, помехоустойчивостью, взрывобезопасностью, повышенными ресурсом и сроком хранения, при этом их стоимость на 40...50 % ниже стоимости зарубежных аналогов. Все это достигнуто благодаря использованию:

• высокотемпературного пьезокерамического материала на основе метаниобата лития МНЛ (точка Кюри свыше 1000 °С, допустимое давление до 1500 кгс/см²) в качестве чувствительного элемента;

• высокотемпературных гермовводов на основе жаропрочного сплава 70НХБМЮ, стекла С52-1 и эмали СК-6 (СК-7);

• модернизированной схемы усилителя заряда;

• специальной технологии изготовления отдельных узлов и датчика в целом.

Однако следует отметить, что сегодня задача построения недостающих параметрических рядов средств измерения по быстропеременным давлениям решена не полностью, так как отсутствуют высокотемпературные датчики на (700...900) °С без принудительного охлаждения для сверхмалых уровней давления с диапазоном измерения от 0,005 до 1,5 кгс/см².

Сложность решения данной задачи состоит в том, что существующие высокотемпературные пьезоматериалы и пьезопреобразователи на их основе не обладают достаточной пьезоэлектрической чувствительностью в составе малогабаритного датчика. Другая, не менее важ­ная проблема, заключается в падении сопротивления изоляции датчика при температурах (800...900) °С до (1 • 10³...1 • 10²) Ом, в результате чего снижается достоверность измерений.

В этом направлении НИИФИ и РДФ НИИФИ, НКТБ "Пьезоприбор" проводят работы по дальнейшему совершенствованию элементной базы и созданию специальной схемы согласующего устройства заряда для совместной работы с высокотемпературными пьезоэлектрическими датчиками, выравнивающей температурную характеристику датчика при снижении сопротивления его изоляции до значений (1 • 10³...5 • 10³) Ом.

Получены положительные результаты по созданию высокотемпературного материала на основе метаниобата лития (МНЛ) с рабочей температурой до 700...900 °С и допустимым давлением до 1500 кгс/см². Из материала МНЛ-1 изготовлены однослойные элементы с платиновыми электродами, которые используются в качестве чувствительного элемента высокотемпературного датчика. В зависимости от диапазона измерения в датчике используются либо один элемент (для средних и высоких уровней давления), либо два элемента (для малых уровней давления). С целью увеличения пьезочувствительности по заряду изготовлены многослойные конструкции пьезоэлементов (в виде малогабаритных модулей), которые позволяют повысить чувствительность в три-пять раз. Кроме того, применение пьезомодулей значительно упрощает техпроцесс сборки датчика за счет исключения ряда промежуточных деталей (прокладок, токосъемников, изоляторов) и одновременно повышает его надежность.

Датчики быстропеременных и импульсных давлений на основе тонких пленок

Сегодня все чаще возникает необходимость измерений быстропеременных и импульсных давлений в трубопроводах без изменения их геометрии.

В отличие от традиционных пьезоэлектрических датчиков ввертного типа эти датчики накладываются на трубопроводы различных диаметров (от 6 до 10мм и т. д.) и закрепляются с помощью металлического замка. Датчики на основе пьезопленки предназначены для оптимизации работы двигателей внутреннего сгорания при температурах до + 100 °С (в перспективе - до +250 °С), давлений до 250...300 кгс/см² в диапазоне частот от 10 до 10000 Гц. Габариты датчика — 28x28x12 мм, масса не превышает 12 г. Отечественной промышленностью подобные датчики не выпускаются.

Учитывая конструктивные особенности пьезопленочных датчиков, которые не требуют специального посадочного места, был принят нетрадиционный подход к выбору пьезоматериала и пьезопреобразователя. Наиболее предпочтительной оказалась пьезопленка, которую благодаря ее гибкости и малой толщине можно присоединить к элементам сложной формы (трубопроводам, уголкам, манометрическим трубкам и т. д.), т. е., в отличие от пьезокерамики, пленке можно придать практически любую форму без снижения ее активности. Кроме того, пьезопленку можно формировать на различных диэлектрических, металлических и полупроводниковых подложках, что позволяет существенно расширить конструктивные возможности датчиков.

Были проработаны два варианта конструкции на основе пьезоэлектрической пленки — из поливинили-дефторида и пленки, изготовленной методом вакуумного напыления на гибкую подложку заданных параметров. Анализ результатов испытаний показал, что датчик на основе пьезоэлектрической пленки, напыленной на подложку заданных размеров, имеет более высокую чувствительность.

Работоспособность этого датчика в заданных условиях и его высокие метрологические характеристики обеспечиваются не только оптимальным выбором пьезопреобразователя, конструкционных, клеевых, изоляционных материалов, отработкой технологии изготовления, но и в немалой степени совершенствованием схемы согласующего устройства.

Малогабаритные датчики на основе объемно-чувствительных пьезоэлементов

Для измерения быстропеременных давлений газов и жидкостей без нарушения ламинарного потока при аэродинамических испытаниях, на лопатках турбин, на малогабаритных объектах и в условиях ограниченного пространства, где невозможна установка датчиков ввертного типа, разработан специальный модельный вариант малогабаритных (сверхминиатюрных) датчиков, приклеиваемых к исследуемому объекту. Такие датчики, серии ДПС 008, имеют диапазон измерения от 0,05 до 56 кгс/см² на уровне статических давлений от 0,5 до 630 кгс/см² в широком диапазоне частот от 2 до 150000 Гц и температур от -196 до +150 °С. Датчики имеют два исполнения: с кабелем и без него. Габариты датчика без кабеля — 11x9x0,5 мм; датчика с кабелем — 11x9x70 мм. Масса и в том, и в другом случае не превышает 0,1 г. В этих датчиках применен объемно-чувствительный пьезопреобразователь ПМ-13, разработанный НКТБ "Пьезоприбор" из материала ТС-1. Для пьезокерамики ТС-1 отношение пьезомодуля dзз к пьезомодулю d31 равно 1:5, что при использовании пьезоэлемента на всестороннее сжатие позволяет значительно снизить виброэквивалент, так как в этом случае отношение чувствительности к вибрации и давлению обратно пропорционально отношению пьезомодулей dзз/d31. Кроме того, в условиях объемного сжатия прочность материалов значительно выше, чем при воздействии нагрузки. Таким образом, оптимально подобранный тип пьезопреобразователя обеспечивает высокую стабильность коэффициента преобразования в широком диапазоне статических давлений, необходимую чувствительность и низкий виброэквивалент.

Конструкция датчика предельно проста — исполнение бескорпусное. Между двумя полиимидными пленками вклеен пьезопреобразователь ПМ-13 в виде модуля, содержащего подложку из неполяризованной ке­рамики и два тонких диска из поляризованной пьезокерамики. На полиамидную пленку методом напыления и гальванического наращивания нанесены электроды, соответствующие по форме электродам пьезоэлемента, и металлизированная поверхность, выполняющая роль экрана. Датчик при установке на объект приклеивается по пленке эпоксидным компаундом. Работоспособность датчиков в реальных условиях подтверждена испытаниями, проведенными на объектах заказчиков.

Датчики в составе свечи зажигания

В результате работ по расширению области применения пьезоэлектрических датчиков на объектах народного хозяйства был создан датчик в составе свечи зажигания или "датчик-свеча". Он предназначен для одновременного создания искры и измерения давления до значения 250 кгс/см² в частотном диапазоне до 10000 Гц при температурах до 300 °С в камере сгорания двигателя.

Габаритно-установочные размеры датчика: М8x0,75 мм, масса с кабелем не превышает 35 г.

Датчик имеет два исполнения: на основе пьезокварцевых дисков и на основе пьезоэлементов ПЭСД-21.

Датчик устанавливается в свечу зажигания с по­мощью соединительной трубки, которая заканчивается установочным штуцером. Трубка крепится в корпусе свечи посредством технологического кольца.

Сигнал с датчика передается на ЭВМ и другие электронные устройства. Практическое применение датчиков в двигателях позволяет создать систему прямого регулирования, которая способна устанавливать определенные моменты зажигания по заданным программам для основных режимов работы двигателя при его отработке, или, другими словами, отыскиваются такие моменты воспламенения, которые обеспечивают получение от двигателя максимальной мощности на нужных режимах, что в конечном счете позволит: увеличить реальную мощность двигателя; снизить расход топлива; улучшить динамические параметры двигателя; увеличить мотороресурс двигателя; снизить токсичность выхлопных газов.

Малогабаритные многофункциональные датчики

Проблема создания многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров, очень актуальна. Известны конструкции датчиков пьезоэлектрического типа, предназначенных для измерения двух и даже трех параметров, таких как давление и температура, переменное и статическое давления, давление и сила, давление, температура и расход газа (жидкости) и т. д.

Сложность разработки таких датчиков заключается в том, что принципы их построения различны: повышение информативности по одному параметру сводит к минимуму информативность по другому.

Задача усложняется еще и тем, что датчик должен быть малогабаритным, работать в широком диапазоне давлений до 630 кгс/см², температур до +200 °С, вибраций до 300 g и иметь элементы диагностики.

Реализация заданных требований возможна при условии поиска новых перспективных технических решений и прогрессивных технологий, проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований. При построении таких датчиков в качестве пьезопреобразователей могут быть выбраны модули типа ПМ-9, которые содержат рабочие и дополнительные слои, последние при соответствующей поляризации и схеме включения используются для диагностики.

Возможность создания малогабаритной конструкции многофункционального пьезоэлектрического датчика с диагностикой в большей степени будет определяться оптимальным выбором многофункционального пьезопреобразователя. Создание многофункциональных датчиков позволит обеспечить эффективные по затратам измерения, дать существенную экономию в стоимости оборудования и трудозатратах по установке датчиков за счет использования одного датчика вместо двух; уменьшения количества оборудования и точек врезок в процесс, что позволит легче удовлетворить строгим требованиям по охране окружающей среды; уменьшения затрат на проектирование, установку и обслуживание; сокращения времени на обработку результатов измерения; использования корреляционных зависимостей для повышения точности и достоверности информации.

Унифицированный ряд пьезоэлектрических датчиков акустических давлений

Большая доля объема всей пьезоэлектрической датчиковой аппаратуры, разрабатываемой НИИФИ, приходится на датчики акустического давления неагрессивных газообразных сред при аэродинамических испытаниях летательных аппаратов.

Пьезоэлектрические датчики акустических давлений находят широкое применение:

• при исследовании акустической устойчивости элементов и узлов самолетов и изделий РКТ;

• при измерении акустических полей, возникающих в процессе продувки моделей изделий РКТ и других летательных аппаратов в аэродинамических трубах и газодинамических установках;

• в составе автоматизированных систем управления испытаниями радиоэлектронной аппаратуры на акустическую устойчивость и др. Разработанные на основе стабильных пьезокерамических чувствительных элементов датчики ДХС 513, ДХС 514, ДХС 515, ДХС 521 имеют встроенный усилитель — преобразователь, позволяющий значительно расширить диапазон измерений, обладают высокой чувствительностью, помехозащищенностью, высокой точностью и механической надежностью при эксплуатации в широком температурном диапазоне, работоспособны с длинными кабельными линиями, имеют нормированный выходной сигнал, не требуют дополнительных регулировок и настроек в процессе эксплуатации.

Дальнейшее развитие и совершенствование датчиков данного класса проводится в направлении расширения диапазона измерения, диапазонов температур и частот, повышения долговечности, надежности, помехозащищенности, виброустойчивости, уменьшения массы и габаритов.

Основным направлением, позволяющим решить поставленные задачи, является совершенствование элементной базы. В целях решения этих задач пред­приятием РДФ НИИФИ созданы образцы пьезопреоб-разователей типа ПМ-7-02 с оптимальным сочетанием состава пьезокерамики и геометрии пьезоэлемента, имеющие пьезомодуль не менее 200 пКл/Н, температуру Кюри более 360 °С и относительное изменение пьезомодуля от температуры не более 1 • 10^-3.

Применение таких элементов в составе датчиков акустических давлений позволило создать базовую конструкцию, которая по совокупности основных характеристик выводит их на технический уровень, соответствующий мировому.

Разработка совершенной пьезоэлектрической аппаратуры для измерения пульсации и акустики ведется путем встраивания в аппаратуру элементов интеллектуализации и электронной виброкомпенсации. Интелл-лектуализация датчиковой аппаратуры заключается во внедрении программной, цифровой обработки информационных сигналов.

Микропроцессорная техника с встроенными в аппаратуру блоками обработки и управления позволит:

• оперативно изменять диапазоны измерений и чувствительность датчиков;

• корректировать практически все погрешности преобразования;

• формировать амплитудно-фазо-частотную характеристику;

• осуществлять оперативный контроль и диагностику;

• шире использовать корреляционные методы преобразования;

• управлять процессом измерения по заданной или гибкой программе.

Другой путь совершенствования датчиковой аппаратуры — это путь снижения влияния вибрации на процесс измерения путем внедрения электронной виброкомпенсации.

Электронный способ компенсации воздействия вибрации заключается во введении в схему датчика отдельного канала измерения сигнала от вибрации с последующим выравниванием выходных сигналов от вибрации с рабочей и компенсирующей секций пьезомодуля посредством регулирования коэффициента усиления. Далее сигналы от вибрации суммируются и взаимно исключаются встречным включением рабочей и компенсирующей секций пьезомодуля.

Пьезо­электрические датчики находят все более широкое применение в отраслях народного хозяйства, военной промышленности и т.д. Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4 в данной работе в основном предназначены для создания в жидкостях ультразвуковых колебаний, их приема с последующим преобразованием в электрический сигнал в составе ультразвуковых счетчиков жидкостей и тепла. Датчики являются важнейшими элементами информационно-измерительных систем. Они, преобразуя неэлектрические физические величины в электрические сигналы, находят бесчисленные области применения во всех сферах жизнедеятельности человека.

Основные достоинства Пьезоэлектрический датчик - их высокие динамические характеристики и способность воспринимать колебания давления с частотой от десятков Гц до десятков МГц. Применяются при тензометрических измерениях, в весовых и сортировочных (по весу) устройствах, при измерениях вибраций и деформаций и т.д.

Практическое использование всей созданной НИИФИ пьезоэлектрической датчиковой аппаратуры для измерения быстропеременных и акустических давлений позволит осуществить комплексный подход к созданию диагностирующих систем ракетно-космической и авиационной техники, а также информационно-измерительных систем в различных отраслях народного хозяйства.