1.3 Области применения сенсоров, актюаторов

На сегодняшний день активные и чувствительные элементы уже широко применяются в различных отраслях промышленности высокоразвитых стран. При этом помимо совместного их использования в интеллектуальных структурах, сенсоры и актюаторы часто выступают в качестве самостоятельных элементов различных конструкций [6, 7, 15,16].

Так механические актюаторы, созданные из различных материалов, применяют в клапанах, насосах и компрессорах, манипуляторах, переключателях, вибрирующих элементах, смесителях, фильтрах, распылителях, сверхзвуковых преобразователях, устройствах для сверхзвуковой чистки и сварки, гасителях колебаний и шумов, генераторах напряжений и звука, электрооптических сканерах, двигателях, управляемых упрочняющихся элементах и др. [17]. Вся широта применения механических актюаторов базируется на их способностях генерации сил, перемещений и колебаний без участия гидравлических и других механических приводов.

Если развитие актюаторов получило основной импульс при появлении интеллектуальных структур, то техника сенсоров прогрессировала самостоятельно и задолго до этого. Поэтому чувствительные элементы изучены значительно лучше и имеют больше областей применения. Среди них: датчики давления, силы, потока, удара, перемещения, позиции, скорости, температуры, влажности, электрического и магнитного полей, колебаний и др. Главной особенностью датчиков нового поколения является их способность к постоянному информированию о величине того или иного параметра работающей системы в режиме неразрушающего контроля.

Совместное использование сенсоров и актюаторов позволяет одновременно совмещать такие операции, как неразрушающий контроль и управление системой. Это достигается в интеллектуальных реактивных или адаптивных системах. Комбинация действий системы распределенных сенсоров и актюаторов, управляемых в соответствии с заложенной программой и памятью об истории конструкции, на сегодняшний день применяется в таких сферах человеческой деятельности, как медицина, строительство, самолето- и вертолетостроение, строительство космических станций, робототехника, микромеханика, технология и ДР- [1,3,7,9].

Обычно интеллектуальные системы применяют в том случае, когда к конструкции предъявляются особые требования, такие как работа в постоянно изменяющихся условиях (непредсказуемое постоянное или циклическое нагружение), эксплуатация в специфических условиях (космос, поверхность других планет или морское дно), когда необходима повышенная надежность элементов конструкций, повышенная точность производимых операций и, когда невозможно использовать в силу различных факторов (заданный объем, масса и пр.) другие структуры.

Кроме того, «интеллектуальные» системы являются шагом на пути к созданию искусственного человека. В этой области достигнуты возможности получения искусственных конечностей, рецепторов и др. [10]

2 Сенсоры ивпкм

В качестве датчиков, исполнительных механизмов, систем связи, обработки информации, управления в ИВПКМ используют различные материалы и процессы. В ИВПКМ используют компоненты с памятью формы, на основе пьезоэлектрических и магнитных сплавов, электрореологических жидкостей, волоконнооптические системы. Полимеры в ИВПКМ используют (кроме связующих) в качестве материалов сенсоров, актюаторов (электроактивные, пьезоэлектрические полимеры, магнитопласты и эласты), активных сред твердотельных лазеров (люминистирующие, флуоресцирующие полимеры), систем передачи и обработки информации (оптическипрозрачные, оптически активные, жидкокристаллические, дендримерные, электропроводящие полимеры) и в технологических процессах изготовления компонентов ИВПКМ (фоторефрактивные, фотоотверждаемые полимеры). [1]

Применительно к ИВПКМ разработаны миниатюрные сенсорные устройства (микросенсорика) на основе различных принципов, процессов и материалов, внедряемые в объем ВПКМ и конструкции из них. Микросенсоры – устройства, преобразующие не электрические явления (процессы) в электрические. Электрические сигналы от сенсоров воспринимаются микропроцессорами и преобразуются заложенными в них программами в информацию, позволяющую анализировать состояние и изменения свойств ВПКМ.

ИВПКМ потребовали изменения методов контроля дефектности материалов и перехода от традиционных методов неразрушающего контроля (сканирование ультразвуком, томография, акустические, рентгеноструктурные и другие) к методам контроля, системе самодиагностики с использованием микродатчиков (сенсоров), встроенных в структуру ИВПКМ (конформных, капсулированных), к методам детектирования (контроль и идентификация сигналов, исходящих из самого материала, например, по электромагнитной эмиссии, возникающей при механических воздействиях).

Простые сенсоры (датчики) контактного типа работают на разрыв электрической (оптической) цепи или замыкания двух отдельных электро-, оптолиний.

Система датчиков позволяет регистрировать внешнее воздействие, определить его местоположение методом триангуляции или по временной разнице между возбуждениями различных датчиков. Частота и амплитуда возбуждающих волн давлений сравниваются с типовыми значениями, информация о которых заложена в памяти микропроцессора (все типы датчиков объединяются с микропроцессорами обработки сигналов). Полученная информация о местоположении повреждения, характере воздействия и степени опасности повреждения выводится на дисплей или сообщается речевым синтезатором.

Для локации дефектов используют системы датчиков в объеме материала. Активные датчики излучают и принимают сигналы, пассивные - регистрируют и анализируют изменения без использования излучений.

Емкостные системы датчиков фиксируют изменения величины и фазы переменного тока, индукционные датчики фиксируют изменение индуктивности при внесении в контролируемый объем ферромагнитных и электропроводящих компонентов (при изменении магнитных и электрических свойств). Используются электрические схемы, чувствительные к изменению емкости, магнитных свойств, в которых дифференциальные измерители на микропроцессорах формируют зондирующие сигналы и обрабатывают поступающую информацию.

Активные индукционные системы (обычно из 2-х протяженных электрических контуров) создают зондирующее электромагнитное поле, пассивные - генерируют сигнал благодаря вибрации токопроводов в магнитном поле. Широко используются индукционные датчики в виде колебательных контуров (разрушение электрической цепи колебательного контура проходит при воздействии сильного переменного магнитного поля), настроенных на определенный радиочастотный, электромагнитный, акустомагнитный параметр (например, рабочую частоту системы). [1]

Датчики (сенсоры), получающие и обрабатывающие сигналы, возникающие при механическом воздействии на материал, используют процессы акустической, электронной, молекулярной, электромагнитной эмиссии (ЭМЭ).

Электромагнитная эмиссия (ЭМЭ) - явление генерации электромагнитных или электрических полей при механическом воздействии на неметаллические материалы. Импульсы электромагнитного поля регистрируется при зарождении и развитии трещин, разрыве волокон, расслоении материала. Характеристики ЭМЭ позволяют прогнозировать с высокой точностью прочность ИВПКМ, предельные нагрузки, остаточный ресурс работы изделий, эксплуатируемых в условиях статического, динамического, вибрационного нагружения. При действии на материал динамических нагрузок (удар, импульсное акустическое или тепловое воздействие) эмиссия возникает как в точке воздействия, так и в направлении распространения акустических волн, и несет информацию о внутреннем строении материала. Методы ЭМЭ, молекулярной и электронной эмиссии требуют аппаратуры высокой чувствительности со сложной расшифровкой сигналов.

Поведение материалов в электрических полях определяется сложной связью деформационных, тепловых свойств и индукцией (мерой смещения зарядов). Имеют место пьезоэффект (механическая деформация ↔ электрическая индукция), пироэффект (тепловое расширение ↔ электрическая индукция).

Активные, формирующие электрические и звуковые поля, СВЧ- и ультразвуковые датчики регистрируют изменения электромагнитного и звукового поля (принцип локации), фиксируют изменение величины, частоты, амплитуды отраженного сигнала. ИК- излучатели и пироприёмники, использующие линзы Френеля, формирующих многолучевую зону чувствительности, регистрируют изменения теплового поля.

На вибрации и разрушающий импульс реагируют пьезокерамические, электромагнитные, магнитометрические, инерционно-механические, трибоэлектрические (эффект контактной электролизации) вибродатчики.