Исследование по созданию чувствительных элементов для пьезоэлектрических датчиков динамических процессов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

5. Таким образом, обеспечение современного тральщика гидроакустическими антеннами широкого спектра действия для работы на всех фазах противоминных действий является необходимым условием успешного функционирования всего контура противоминных действий.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПО СОЗДАНИЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В. Ю. Вусевкер, А. Е. Панич

НКТБ «Пьезоприбор», г. Ростов-на-Дону

Целью настоящей работы явилось создание чувствительных элементов виб-роизмерительных датчиков диагностической аппаратуры контроля работы судовых установок. Для таких датчиков предъявляются повышенные требования к значению коэффициента преобразования по заряду (КП). Наряду с этим предъявляются требования по обеспечению стабильности КП при воздействии температуры от минус 196 до +200 0С и статических сжимающих нагрузок от 50 до 150 МПа.

В табл. 1 представлены параметры пьезоэлектрических материалов нового поколения (серии ПКЛ), на базе которых создавались чувствительные элементы. Наряду с этими параметрами представлены характеристики обратимых и необратимых изменений dзз при воздействии температуры и статического одноосного сжатия, приложенного вдоль оси поляризации, для пьезокерамических материалов ПКЛ-1 (аналог материала ЦТС-19), ПКЛ-2 (аналог материла ЦТССТ-3) и ПКЛ-3 (аналог материала ЦТБС-3).

Таблица 1

Значение параметров, характеристики Марка пьезокерамического материала

ПКЛ-1 ПКЛ-2 ПКЛ-3

Є33Т/Є0 2042 - 2116 1453 - 1680 1753 - 1925

^8 0.0153 - 0.0172 0.0035- 0.0047 0.0031 - 0.0057

Кр 0.64 - 0.67 0.58 - 0.6 0.61 - 0.65

азі-іо-12 Кл/Н 207 - 218 154 - 166 179 - 184

азз-ю-12 Кл/Н 430 - 448 320 - 340 380 - 410

Ом 95 - 98 480 - 520 280 - 530

Обратимые изменения ^3 в диапазоне температур от +25 до минус 1960С, % 62.8 - 82.2 35 - 40 35 - 40

Обратимые изменения от 25 до 200 0С, % 5.8 - 6.4 25 - 30 10 - 15

Необратимые изменения ^3 после воздействия статической нагрузки ст33 до:

75 МПа 46 -г- 48 3 г 5 20

100 МПа 50 г 55 15 г 18 20 г 22

1500 МПа 60 г 65 45 г 50 40 г 45

Измерение параметров и характеристик пьезоматериалов проводились на дисках 012Х1 мм по методикам, изложенным в ОСТ11-044-87. Обратимые и необратимые изменения dзз определяли в квазистатическом режиме измерения при воздействии температуры и статической сжимающей нагрузки.

Данные электрофизических параметров и характеристик, представленных выше, позволяют сделать вывод о том, что сочетания свойств материала ПКЛ-3 являются оптимальными для его использования при изготовлении чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков, работоспособных при низких и повышенных температурах, а также при воздействии одноосного механического сжатия, приложенного вдоль оси поляризации. Величина необратимых изменений d33 при воздействии повышенной температуры не превышает 10%, как и величина обратимых изменений во всем исследуемом диапазоне статических нагрузок. Стабилизация значений d33 наступает после одного цикла воздействия температуры и статической нагрузки.

Таким образом, материал ПКЛ-3 позволяет рекомендовать его для создания высокоэффективных чувствительных элементов. Для обеспечения требований к КП по заряду не менее 3000 пКл/Н необходимо перейти к многослойной конструкции чувствительного элемента.

Монолитные многослойные конструкции чувствительных элементов для датчиков вибрации и быстропеременного давления нашли широкое применение в измерительной технике [1], [2].

Для оптимизации конструкции ЧЭ из материала ПКЛ-3 был использован метод конечных элементов, где по программе АшуБ была рассчитана конструкция чувствительного элемента датчика вибрации, состоящая из девяти пьезоактивных слоев, соединенных механически последовательно методом термокомпрессионной сварки по серебряным электродам и скоммутированных электрически параллельно гибкими металлическими токосъемниками. Токосъемники, жестко заделанные в хордовых

пазах пьезоэлементов, одновременно являются контактными шинами всего элемента. Торцевые поверхности чувствительного элемента снабжены изоляторами из неполяри-зованной керамики ПКЛ-3, что обеспечивает развязку от корпуса пьезоактивных зон, обеспечивая его помехозащищенность. Для крепления на чувствительный элемент инерционной массы и для закрепления всей конструкции в корпусе датчика предусмотрено центральное отверстие диаметром 3,2 мм под стягивающую шпильку М3. Внешний вид конструкции ЧЭ представлен на рис. 1.

Идентичность мате-

риалов как рабочих, так и пассивных элементов конструкции, обусловлена необходимостью совпадения их коэффициентов температурного рас-

мент в разрезе

1 - изоляторы;

2 - элементы чувствительные;

3 - выводы гибкие коммутационные;

4 - коммутационные перемычки

Рис. 1. Пьезоэлектрический чувствительный эле-

1

2

ширения (КТР) при работе в заданном диапазоне температур.

Результаты измерений электрофизических параметров виброизмерительных преобразователей опытной партии следующие:

- электрическая емкость, пФ - 10570+10850;

- тангенс угла диэлектрических потерь - 0,03+0,004;

- коэффициент преобразования по заряду, пКл/Н - 3600+3700;

- обратимые изменения в диапазоне температур от минус 196 до 25 0С - не более 25 %;

- обратимые измерения в диапазоне температур от 25 до 200 0С - не более 10 %.

Высокая эффективность разработанной конструкции была подтверждена испытаниями унифицированных конструкций пьезоэлектрических акселерометров серии АВС, которые могут быть использованы в вибродиагностической аппаратуре современных судовых установок.

Назначением пьезоэлектрических датчиков быстропеременного и акустического давлений является измерение быстропеременных и акустических давлений при воздействии малых, средних и высоких уровней статического давления в жидких и газообразных средах.

Особенностью этих датчиков является измерение с высокой точностью (основная погрешность не более 4 - 6 %) быстропеременного давления от 0,005 до

0,5 МПа в широком диапазоне частот при воздействии температур, статических давлений, радиационных излучений и вибраций. При этом если стабильность метрологических характеристик в условиях эксплуатации при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как повышенные и пониженные температуры и давления, зависит от свойств пьезоактивного материала, то чувствительность датчика к виброускорению определяется целиком его конструктивными особенностями. В силу своих конструктивных особенностей датчики быстропеременного и акустического давления обладают достаточно высоким коэффициентом преобразования сигнала от воздействия «паразитных» вибрационных и ударных ускорений.

Ниже приведены результаты нашей разработки по созданию конструкции монолитного пьезокерамического элемента, состоящего из двух секций, одна из которых реагирует на пульсацию давления в широком диапазоне температур (от минус 196 до + 200 0С), а вторая обеспечивает виброкомпенсацию датчика в целом. В целях обеспечения максимальной эффективности работы датчика монолитный двухсекционный пьезоэлемент изготавливается из пьезокерамического материала ПКЛ-3. Предложенная конструкция двухсекционного чувстви-

1 - изоляторы;

2 - секция контроля пульсации давления (6 пьезоактивных слоев);

3 - секция виброкомпенсирующая (6 пьезоактивных слоев);

4 - узел крепления чувствительного элемента;

5 - выводы гибкие проволочные первой секции;

6 - выводы гибкие проволочные второй секции

Рис. 2. Виброзащищённый пьезоэлектрический чувствительный элемент из пьезокерамического материала ПКЛ-3 для датчиков быстропеременного и акустического давления

тельного элемента является универсальной и находит применение в модернизируемых акустических датчиках ДХС-514, обеспечивающих измерение акустических сигналов на уровне малых, до 5 МПа, статических давлений, измерение быстропеременных давлений на уровнях до 75, 100, 150 МПа в широкой (до 20 Кгц) полосе частот. В зависимости от величины статического давления рабочей среды нормируемые значения коэффициента преобразования секции, воспринимающей полезный (переменную силу) и паразитный (вибрационный) сигналы, принимают значения, которые представлены в табл. 2.

Датчики быстропеременного и акустического давления на основе разработанной конструкции обладают преимуществом по чувствительности более чем в четыре раза по сравнению с аналогами ДХС-514 и ЛХ-511.

Таблица 2

Рабочее давление Рст, МПа 5 75 100 150

Нормируемое значение коэффициента преобразования КП 2200^2400 1800^2000 1600^1750 1100^1200

Авторы выражают благодарность В.И. Бутову за помощь в работе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Дунаевский В.П. Исследование путей совершенствования пьезокерамических чувствительных элементов виброизмерительных датчиков // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2002. Москва. С. 237.

2. Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панич А.Е. Высокотемпературные пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений малых и сверхмалых уровней // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2000. Москва. С.277.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА СО СЛОЖНЫМ СИГНАЛОМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ ГИДРОАКУСТИКИ В. А. Воронин, С. П. Тарасов

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Обеспечение решения широкого круга оборонных и хозяйственных задач, обеспечение безопасности судоходства, решения задач поиска и мониторинга инженерных сооружений, таких как коллекторы очистных сооружений, сваи причальных сооружений и их остатки, затопленные плавсредства и отходы промышленных предприятий, связаны с созданием современных гидролокационных средств для получения информации о рельефе дна и объектах на поверхности дна. Наиболее перспек-