CC BY
31
УДК 531.787.913
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ АКУСТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
© 2008 г. М.В. Богуш
НКТБ «Пьезоприбор» Южного федерального Design Office «Piezopribor» of Southern Federal
университета, г. Ростов-на-Дону Шг^ш^ R°stov-°n-Don
Описана методика выбора материала мембраны пьезоэлектрического датчика акустических давлений с колебаниями изгиба, обеспечивающая необходимую механическую надежность изделия в заданном рабочем диапазоне температуры.
Ключевые слова: пьезоэлектрические датчики, механическая надежность, рабочие температуры.
The article describes the methods of choice a membrane material for piezoelectric acoustic pressure sensor with fluctuations of the bend for providing necessary mechanical reliability of a device in the working temperature range.
Keywords: piezoelectric sensors, mechanical reliability, workerot temperatures.
Пьезоэлектрические датчики акустических давлений (ДАД) находят широкое применение в научных исследованиях, испытаниях промышленной продукции, в системах контроля и диагностики. Эти датчики незаменимы для измерения акустических нагрузок при наземных и лётных испытаниях самолетов, проверке радиоэлектронной аппаратуры на акустическую устойчивость, исследовании аэродинамических характеристик изделий ракетно-космической техники [1-3].
Поскольку ДАД предназначены для измерения малых уровней давлений, то, казалось бы, вопросы механической надежности для них не актуальны. Однако акустические датчики работают в определенном диапазоне температуры. Поэтому важно обеспечить их механическую надежность в рабочих условиях, с учетом того, что чувствительный элемент (ЧЭ) датчика неизбежно содержит детали из различных материалов: ПЭ выполнен из пьезоэлектрической керамики, мембрана, корпус - из стали и т.д.
Целью настоящей работы является оценка механической надежности ДАД в заданном рабочем диапазоне температуры и обеспечение необходимого уровня надежности за счет рационального и целенаправленного выбора материала мембраны.
В качестве примера рассмотрим датчик, который должен удовлетворять следующим техническим требованиям: диапазон измерения акустических давлений от 125 до 185 дБ в полосе частот от 3 до 4000 Гц; КП - не менее 40 мкВ/Па при емкостной нагрузке 4700 пФ, основная погрешность - в пределах ± 1дБ. Датчик должен работать в диапазоне температур от - 70 до +200 °С при действии избыточного медленноменяю-щегося давления до 0,2 МПа. Изменения КП от давления и температуры не более ±30 %. Вероятность безотказной работы не ниже 0,95.
Базовая конструкция ДАД показана на рис. 1 [1]. Датчик содержит два ЧЭ - рабочий 1 и виброкомпен-сирующий 2. Принцип действия ЧЭ основан на де-
формации изгиба. ЧЭ содержит мембрану 3, выполненную за одно целое с корпусом, к которой приклеен ПЭ 4, изготовленный из керамики ЦТС-83Г по технологии шликерного литья пленки [4].
1 2
Рис. 1. Конструкция датчика акустических давлений
На первом этапе проектирования, исходя из заданных величин КП, частотного диапазона и габаритов (присоединительный размер М12х1), с использованием методики [5], были выбраны следующие размеры деталей ЧЭ: мембрана - 0 9,0x0,15 мм, ПЭ -0 6,0x0,05 мм. В дальнейшем необходимо было решить вопрос обеспечения необходимой надежности и метрологических характеристик датчика при воздействии заданных уровней влияющих факторов.
Оценки показали, что при действии предельных статических и акустических давлений в ПЭ и других деталях датчика появляются механические напряжения, не превышающие 1,5 МПа, причем доля динамических напряжений - не более 0,2 МПа. Эти величины весьма малы по сравнению с пределами прочности материалов и не могут привести к разрушению конструктивных элементов. Основным фактором, влияющим на механическую надежность, являются температурные напряжения, обусловленные различием коэффициентов теплового расширения (КЛТР) материалов
мембраны и ПЭ и отличием рабочей температуры от температуры соединения этих деталей Тс - в нашем случае температуры полимеризации клея.
В связи с этим структурно-функциональную схему надежности датчика можно представить в виде двух последовательно соединенных звеньев, одно из которых отражает вероятность неразрушения рабочего, другое - виброкомпенсирующего ЧЭ. Следовательно, надежность каждого ЧЭ должна быть не ниже
7095 = 0,98.
ЧЭ содержит мембрану, ПЭ и клеевой шов.
Очевидно, что в ЧЭ с колебаниями изгиба для реализации преобразования деформации мембраны в механические напряжения в ПЭ клеевая прослойка должна быть жесткой. Клей должен обеспечивать непрерывность смещений и механических напряжений между мембраной и ПЭ. Причем для обеспечения высоких метрологических характеристик датчика это требование должно выполняться во всем заданном диапазоне давлений, частот, температур.
Установив требования к клеевому шву, учтём, что его толщина не превышает 0,01 мм, что значительно меньше толщины ПЭ и мембраны. Поэтому влиянием жесткой тонкой клеевой прослойки на напряженное состояние ЧЭ можно пренебречь. В дальнейшем мы, также как и авторы работы [5], будем рассматривать модель ЧЭ в виде двухслойной композиции, включающей ПЭ и мембрану (рис. 2 а). С целью выбора материала мембраны проведены расчеты температурных напряжений в деталях ЧЭ при выполнении ее из сплавов 36НХТЮ, 44НХТЮ и 29НК. Расчеты выполнялись в рамках модели, описанной в работе [6], с использованием значений упругих модулей и КЛТР материалов из работ [7, 8].
Так как для соединения ПЭ с мембраной предполагалось использовать клей ВК-20, рекомендуемая температура полимеризации которого равна 170 °С, в расчетах учтено, что температура сборки Тс = 170 °С. Распределение термоупругих напряжений в деталях ЧЭ при увеличении температуры на 1 °С относительно Тс приведено на рис. 2 б.
В связи с тем что осевая компонента механических напряжений в данной конструкции отсутствует, то эквивалентные напряжения совпадают по величине с планарными. При расчетах коэффициентов запаса п и гауссовских уровней надежности у использовались значения пределов механической прочности керамики, приведенные в работе [8].
Вероятность неразрушения элементов конструкции рассчитывалась через интеграл вероятности Лапласа по методике, изложенной в работах [8, 9]:
1 0 t Y = 0,5 + -= J exp( k. л/2л _Ук 2
)dtk
tk =
Mk _ Mk 5Mk
У k =
Mk 5Mk
(5Mk )2 = (5a)2 + (5ara )2
(1)
(2)
(3)
где ук - гауссовский уровень надежности; М к, Мк ЪМк -соответственно разность между математическими ожиданиями, фактическая разность и суммарная дисперсия действующих механических напряжений и пределов прочности (текучести) материалов (к = 1,2).
Коэффициент запаса в каждом элементе определялся по формуле
Лk =
1
1 _У k Ä Rk
(4)
где &Кк - коэффициент вариации - величина, зависящая от уровня применяемой технологии, обычно для металлов принимается равной 0,15 [1], для пьезокера-мического материала ЦТС-83Г - 0,26 [8].
Результаты расчета вероятности неразрушения ПЭ Y2 при изготовлении мембраны из различных материалов на верхней и нижней границе рабочего диапазона температуры приведены в таблице. Аналогичные оценки для мембраны показали, что во всех рассматриваемых вариантах вероятность ее разрушения не превышает 106 и ее нет смысла учитывать.
Рис. 2. Геометрическая модель ЧЭ (а — 1 - мембрана; 2 - пьезоэлемент) и распределение механических напряжений в его деталях при изменении температуры (б, в). Материалы деталей: б- ЦТС-83Г - 36НХТЮ, в - ЦТС-83Г - 29НК
Таблица
Материал мембраны а^, МПа-°С-1 При 200 °С При минус 70 °С Y2 min
П Y Y2 П Y Y2
36НХТЮ 1,04 0,89 -0,44 0,33 1,25 0,76 0,85 0,33
44НХТЮ 0,424 1,97 1,89 0,972 2,57 2,35 0,99 0,97
29НК 0,070 4,02 2,89 0,998 4,39 2,97 0,999 0,998
Примечание. а™* - коэффициент пропорциональности между механическими напряжениями и разностью температур.
Из таблицы следует, что конструкция ЧЭ с мембраной из сплава 36НХТЮ неработоспособна. Вероятность неразрушения ПЭ меньше 0,5. ЧЭ с мембраной из сплава 44НХТЮ по надежности близок к предъявляемым требованиям. Наиболее перспективными для применения являются ЧЭ с мембраной из сплава 29НК.
Следует отметить, что при выполнении мембраны из любого из перечисленных сплавов чувствительность и быстродействие датчика примерно равны, так как модули Юнга и плотности этих материалов отличаются незначительно.
При макетировании датчиков экспериментально исследованы различные варианты ЧЭ. В процессе
работы варьировались материал мембраны и состав клея. С целью повышения термостойкости и жесткости в клей ВК-20 вводился наполнитель из двуокиси титана. Температура полимеризации клея составляла 170-200 °С.
В процессе испытаний датчиков получены следующие результаты:
1. Для датчиков с мембраной из сплава 36НХТЮ и пластичной клеевой прослойкой (ВК-20 без наполнителя) изменения КП от температуры составили 40...50 %, рис. 3. Причем со временем температурные уходы КП увеличивались. Отметим, что такие дефекты характерны и для датчиков аналогичного типа, описанных в литературе [5].
-50 0 50 100 150 200
T, oC
а
б
-50 0 50 o 100 150 200
T, oC
б
-50 0 50 100 150 200
T, oC
в
о
&
а
а
Рис. 3. Относительные изменения пьезоэлектрической чувствительности от температуры ПЭ (а) и макетов датчиков акустических давлений с мембраной из сплава 36НХТЮ (б) и 29НК (в)
2. Два датчика из пяти с мембраной из сплава 36НХТЮ и жесткой клеевой прослойкой (ВК-20 с наполнителем) вышли из строя после первого температурного цикла от 20 до 200 °С: КП необратимо снизился до нуля. Как показало вскрытие, причиной отказа были механические повреждения ПЭ (откалывание части ПЭ, отслоение его от мембраны).
3. Датчики с мембраной из 29НК имели уходы КП во всем рабочем диапазоне температур в пределах +15 %. В процессе испытаний на надежность, выполненных по биномальной схеме [10], 5 датчиков отработали без отказов по 10 температурных циклов до 200 ОС, что соответствует при достоверности 0,8 вероятности безотказной работы не ниже 0,96.
Таким образом, макетирование и испытания полностью подтвердили результаты анализа.
Целенаправленный выбор материала мембраны позволил не только обеспечить необходимую надежность при циклическом изменении температуры, но и более чем втрое снизить температурную погрешность и увеличить ресурс работы датчиков акустических давлений.
Литература
1. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под общ. ред. Е.П. Осадчего. М., 1979.
2. Михайлов П.Г., Бутов В.И., Политменцева Т.Н., Гориш А.В. Пьезодатчики быстропеременных, импульсных и аку-
стических давлений // Радиотехника. 1995. № 10. С. 36-37.
3. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник: В 3 т. Т. 1 (кн. 2) / Под общ. ред. Ю.Н. Коптева; Под ред. Е.Е. Багдатьева, А.В. Гориша, Я.В. Малко-ва. М., 1998.
4. Вусевкер Ю.А., Кудинов А.П., Богуш М.В., Шевченко Л.А. Исследование электрофизических свойств пьезоэлемен-тов в виде тонких пленок // Керамические конденсаторные сегнето- и пьезоэлектрические материалы: Тез. докл. Всесоюз. науч. семинара. Рига, 1986. С. 74.
5. Домаркас В., Петраускас А. Колебания асимметричных биморфных излучателей // Ультразвук: Научн. тр. вузов Литовской ССР. 1976. Вып. 8. С. 57-63.
6. Богуш М.В. Исследование неоднородных чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков //Датчики и системы. 2008. № 2. С. 2-8.
7. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М., 1991.
8. Пьезоэлектрическое приборостроение: Сб. в 3 т. Т. 3: Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Ростов н/Д., 2006.
9. Богуш М.В. Оценка механической надежности чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков на основе пространственной модели напряженного состояния // Датчики и системы. 2008. № 3. С. 2-9.
10. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романников Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., 1978.
Поступила в редакцию 17 июля 2008 г.
Богуш Михаил Валерьевич - канд. техн. наук, зам. директора НКТБ «Пьезоприбор» Южного федерального университета г. Ростов-на-Дону. Тел. (863) 299-50-80, факс 290-58-22, E-mail: piezo@inbox.ru.
