CC BY
117
УДК 621.396.966
ПЬЕЗОАКУСТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НА ПАВ
© 2011 г. Ю.С. Иванченко, А.В. Деменко
Новороссийская морская государственная Novorossiysk Maritime State
академия Academy
Предлагается конструкция акустического пьезоакустического датчика с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ), отличительной особенностью которого является использование встраиваемого звуковода в его подложку в виде металлической пластины (например, бронзы). Показано, что такая конструкция может быть широко использована при диагностике задиров трущихся поверхностей подшипников.
Ключевые слова: датчик; подложка; пьезорезонанс; конвольвер; шум; спектр; частота; поверхностная акустическая волна.
In this article introduce of construction the acoustic piezoresonant sensor with use of superficial acoustic waves (SA W), which main distinctive feature is use of built in sound - conductor in piezoelectric backing place in form such as metal plate (e.g. bronze). It is shown, that such design can be widely used at diagnostics of tearing sliding surfaces into bearings.
Keywords: sensor; piezoresonanse; backing; noise; spectrum; frequency; convolver; superficial acoustic waves.
Современное судостроение идет по пути создания судовых автоматизированных навигационно-диагнос-тических комплексов с целью сокращения численности экипажа, вплоть до одного человека. Такое построение системы управления судном требует определенных подходов к решению вопросов технического оснащения рабочего места судоводителя. Фактически оно сводится к созданию комплексного мониторинга судна, наделенного функциями навигационного управления и технической диагностики пропульсив-ного комплекса.
Сегодня, с развитием спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС, задача навигационного управления существенно облегчена. Однако техническая диагностика находится еще на стадии становления. Это связано в первую очередь с несовершенством используемой энергетической системы - дизель-генератора. Здесь большинство трущихся поверхностей -как главной энергетической установки, так и ряда исполнительных механизмов, создание температурных напряжений в механизмах, состояние элементов пропульсивного комплекса судна в целом и т. д. -требуют создания электронного диагностического мониторинга с высокими показателями в реальном масштабе времени. Это становится возможным только при условии постоянного контроля за состоянием всех энергетических систем с помощью различных прецизионных датчиков физических величин, часть которых удовлетворяет требованиям разработчиков судов, а часть из них находится на стадии разработки и создания.
Это в первую очередь относится к встроенным цифровым виброакустическим датчикам контроля износа трущихся поверхностей.
Механизм изнашивания трущихся поверхностей как теоретически, так и практически изучен достаточно хорошо. Он сводится к тому, что трущиеся поверх-
ности создают различного рода ультразвуковые сигналы, диапазон частот которых простирается до десятков МГц. При этом спектр таких сигналов представляет, как правило, случайный шумоподобный сигнал, что позволяет осуществлять дефектоскопию методами корреляционной обработки [1].
Исследования показали [2], что при работе трущихся поверхностей в нормальном режиме, без задиров поверхностей, спектр шумового сигнала представляет наибольшую интенсивность в диапазоне (5 - 6) МГц. В этой связи возникает задача разработки датчика физической величины, преобразующего указанный сигнал в электрические сигналы, достаточные для их дальнейшей обработки. К таким датчикам относят построенные на основе пьезокварцевых пластин первичные преобразователи (чувствительные элементы) со встречными штыревыми преобразователями (ВШП), позволяющими осуществить преобразование исследуемого сигнала с использованием эффекта объемной волны - объемного резонатора, обычно располагаемого на пути следования встречных акустических сигналов, образуемых ВШП. Такие преобразователи получили наименование конвольверы, в которых за счет нелинейного преобразования эталонного и исследуемого сигналов осуществляют перенос спектра шумов на частоту анализа. В случае возникновения задира поверхности и его развития в спектре щу-мов возникает интенсивная детерминированная составляющая, которую легко выделить и предотвратить развитие дефекта [3 - 7].
Однако чувствительность таких датчиков не позволяет выявить развитие дефекта задира на ранней стадии, так как малая интенсивность шумового спектра не дает возможность проводить его эффективный анализ существующим приборным парком [5]. В этой связи возникает необходимость повышения чувствительности к ультразвуковым шумам существующих
конструктивных решений датчиков на основе ПАВ-технологий - конвольверов, поиск технических решений, где основной задачей является повышение эффективности передачи ультразвукового сигнала, возникающего в объеме исследуемого механизма, с целью выявления образования задира на его ранней стадии развития. Одним из таких решений предлагается на основе модели конвольвера реализовать принципиально новое устройство в виде модифицированного конвольвера [8], с помощью которого можно обеспечить эффективное преобразование спектра шумов механизма во временную область с возможностью его эффективной обработки. При этом считается, что величина сигнала источника исследуемого механизма остается неизменной и ее можно представить в виде, описанном в работе [1], причем шероховатость поверхности рассматривают как элементарную балку, жестко заделанную в основание. На рис. 1 представлена модель элементарной неровности на трущейся поверхности.
ц - коэффициент подвижности элементарной неровности
Рис. 1. Схема силового воздействия движущийся среды на бугорок поверхности материала: Р - периодическая изменяющаяся сила; 2Rа - высота частицы, выступающей над поверхностью материала (среднеарифметическое отклонение неровности - балки); h - величина погруженной части частицы; у0 - расстояние от поверхности материала до центра колебаний частицы; у1 - расстояние между центром тяжести частицы и центром колебаний; и - амплитуды колебаний частицы у поверхности материала и у ее нижнего конца под воздействием внешней силы; ф - угол отклонения частицы; I - характерный размер частицы
Так, запасенная потенциальная энергия П, излучаемая в виде акустических колебаний в толщу механизма, может быть представлена выражением [1]
У0 h - Уо сф 2 у 2
п= ] сф2ydy + { сФ2уау
0
0
2
где с - жесткость материала корпуса механизма; ф -угол поворота (отклонения) частицы при воздействии внешней силы относительно центра колебаний; ^ -
коэффициент заделки элементарной неровности (балки) в структуру материала
С = 2 + ^-I
Ц2 Ц
ц =
h
Частота / этих колебаний определяется геометрическими размерами неровности и составляет единицы мегагерц
f=,
где I - момент инерции относительно центра колебаний, I = I 0 + т [(к + 2Ra)(ц-0,5) + 2Ra (1 -ц)]2,
10 - статический момент инерции; т - масса заделки элементарной неровности (балки).
Рассмотрение работы модифицированного конвольвера и реализация его конструкции могут быть проведены на примере регистрации ультразвуковых шумов вкладышей подшипников, в которых эти шумы возникают в теле механизма за счет трения поверхностей. В этом случае датчик крепится с помощью бронзовой подложки на хорошо притертую поверхность механизма рядом с местом возникновения шумов. Конструкция датчика на ПАВ - модифицированного конвольвера показана на рис. 2.
Конструктивно модифицированный конвольвер оформлен в известном виде, однако ПАВ, поступающая с ВШП 3, 1 в зону образования объемной волны 2, за счет нелинейного преобразования перемножается с поступающими акустическими сигналами от исследуемого объекта.
От запускающего генератора
Направление движения ПАВ
К измерительному усилителю
1/
Акустическая вибрация от исследуемого объекта
Рис. 2. Датчик модифицированного конвольвера на ПАВ: 1 - акустический поглотитель паразитных ПАВ; 2 - зона обработки акустических сигналов; 3, 1 и 3, 2 - встречно штыревые преобразователи; 4 - основание акустического поглотителя; 5 - звуковод - полированный брусок металла (например - бронза); 6 - подложка из пьезоматериала (например ниобат лития LiNbOз)
Результирующий сигнал поступает на приемный ВШП 3, 2 и затем на обработку в приемник. Бронзовая пластина выполняет роль акустического волновода, что существенно отличает конструкцию приведенного датчика от классического конвольвера.
Фактически на приемник с ВШП 3, 2 поступает преобразованный Фурье-сигнал - перенесенный шумовой спектр из частотной области во временную. Ширина такого спектра лежит в области (1 - 10) МГц.
1
Отличительной особенностью предлагаемого датчика от конвольвера является также то, что акустический конвольвер осуществляет обработку электрических сигналов путем преобразования последних в ПАВ, распространяющиеся навстречу друг другу, и выделения результирующего сигнала с параметрического электрода, а предлагаемый датчик осуществляет прием и обработку акустической вибрации от исследуемой трущейся поверхности за счет суммирования ПАВ, излученной при подаче на ВШП короткого импульса напряжения, и вибрационных воздействий от исследуемой поверхности, прошедших через акустический звуковод 2, и обратное преобразование ПАВ в электрическое напряжение на втором ВШП 3, 2. Конструктивное исполнение предлагаемого датчика отличается от конвольвера еще тем, что для конвольвера акустическая вибрация является паразитной и в целях борьбы с ней нижняя сторона подложки обработана так, чтобы полностью исключить влияние последней, а у предлагаемого датчика наоборот: фрагмент нижней стороны подложки в центральной части предназначен для пропускания акустической вибрации.
Исследования показали, что при нормальной работе подшипника скольжения появление точек касания носит случайный характер и, следовательно, сигнал на выходе датчика будет случайным. Если имеет место внутреннее трение (начало задира), то сигнал будет детерминированным, т.е. он будет повторятся через определенные интервалы времени. Амплитуда сигнала при этом увеличится и по её величине можно определить вид износа: при внешнем износе (нормальный режим работы) амплитуда будет малой; при внутреннем износе (начало задира) амплитуда увеличится, а также по величине задержки сигнала на выходе датчика относительно зондирующего линейно-
Поступила в редакцию
частотно модулированного (ЛЧМ) импульса на входе датчика можно определить, какого размера частицы вкладыша участвуют в процессе износа. Так как структура вкладыша многослойна [1, 2], то непосредственно слой баббита находится в рабочей зоне, он имеет мелкозернистую структуру и частота колебаний частиц будет более высокой, чем при трении вала об основание вкладыша, состоящего из крупнозернистого материала, частота колебаний частиц которого понизится и на выходе датчика при внутреннем трении появятся составляющие сигнала, имеющие меньшую задержку и большую амплитуду, чем при нормальном режиме работы подшипника.
Литература
1. Ханин М.В. Механическое изнашивание материалов. М., 1984. 152 с.
2. ТихомировА.Т. Критерии оценки технического состояния тонкостенных гальванических вкладышей рамовых и мо-тылевых подшипников. Л., 1978. 27 с.
3. Малое В.В. Пьезорезонансные датчики : 2-е издание. М.,
1989. 272 с.
4. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах : пер. с англ. М., 1990. 416 с.
5. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М., 1975. 176 с.
6. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология и применение) : пер. с англ. / под ред. Г. Мэттьюза. М., 1981. 472 с.
7. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах : материалы, технология, конструкция, применение : пер. с чешского. М.,
1990. 594 с.
8. Иванченко Ю.С., Деменко А.В. Решение о выдаче патента РФ на изобретение «Датчик на поверхностных акустических волнах», по заявке № 2009131401/28 с приоритетом от 18.08.2009, опубл. 27.02.2011 г.
28 февраля 2011 г.
Иванченко Юрий Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, Новороссийская морская государственная академия. Тел. 88817-71-18-61. E-mail: USI2007@bk.ru
Деменко Александр Валентинович - аспирант, Новороссийская морская государственная академия.
Ivanchenko Yuriy Sergeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, Novorossiysk Maritime State Academy Ph. 88817-71-18-61. E-mail: USI2007@bk.ru
Demenko Aleksandr Valentinovich - post-graduate student, Novorossiysk Maritime State Academy.
