Перспективы применения интегрированных многофункциональных преобразователей в пьезоэлектрических датчиках механических величин

Одной из важнейших составных частей контрольно-измерительных систем являются датчики механических величин (ударных, вибрационных линейных и угловых ускорений, переменной силы, пульсации давления, параметров акустических полей), от характеристик которых зависят эффективность и надежность работы контролируемых или управляемых технических устройств. Несмотря на разнообразие типов и номенклатуры применяемых датчиков, наибольшее распространение, благодаря своим преимуществам, получили пьезоэлектрические датчики механических величин (ПДМВ). Однако к настоящему времени, характеристики ПДМВ приблизились к уровню, ограниченному возможностями пьезоматериалов, и далеко не всегда удовлетворяют постоянно растущим требованиям.

Характерно, что электромеханические преобразователи традиционных ПДМВ, как правило, выполняют только одну функцию — преобразование физического воздействия измеряемой механической величины в электрический сигнал. С целью расширения функциональных возможностей или улучшения определенных характеристик, некоторые ПДМВ содержат встроенные дополнительные устройства. Например, известны пьезоэлектрические акселерометры с калибровочным пьезоэлементом [1], предназначенным для проверки работоспособности или калибровки датчика. Размещение термопары внутри корпуса акселерометра позволяет измерять его температуру в процессе эксплуатации [2]. В пьезоэлектрические датчики пульсации давления или акустического поля иногда встраивают приемник виброускорения, сигнал которого компенсирует помехи, вызванные нежелательной чувствительностью к вибрации [3]. Названные и иные дополнительные устройства, за редким исключением, являются отдельными элементами конструкции датчика.

Очевидно, что такой подход к конструированию датчиков, связанный с ростом числа отдельных монофункциональных элементов или узлов, неизбежно приводит к усложнению конструкции и, как следствие, сопровождается рядом недостатков: снижением надежности, увеличением массогабаритных параметров и стоимости, ухудшением отдельных метрологических и эксплуатационных характеристик. Не всегда позволяет достигать требуемых результатов использование сложных методов и средств электронной обработки сигналов датчиков, характерное для современного этапа развития датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА) [4].

В этой связи, одним из эффективных путей дальнейшего совершенствования и развития ПДМВ может стать применение интегрированных многофункциональных преобразователей (ИМФП).

Еще в 1971 году было показано, что эффекты и явления, присущие кристаллическим твердым телам, в частности сегнетоэлектрикам, позволяют на единой материальной основе реализовать различные функции, выполняемые аналогичными элементами устройств автоматического управления и вычислительной техники [5].

Свойства пьезокерамических материалов, относящихся к классу сегнетоэлектриков [6], также могут быть использованы для создания ИМФП, применяемых в пьезоэлектрических датчиках. Основной принцип построения ИМФП заключается в том, что элемент преобразователя ПДМВ в виде монолитного тела из пьезоэлектрической керамики содержит ряд областей или зон, выполняющих различные функции, необходимые для обеспечения заданных технических характеристик. Функциональные зоны могут быть локализованы как в объеме блока, при необходимости пересекаясь в пространстве, так и с использованием поверхностных слоев. На стадии изготовления и в процессе работы преобразователя возможно также управление локальными свойствами материала в пределах расположения функциональных зон, что дает возможность корректировки их параметров.

В качестве примера можно отметить следующие возможные функции, реализуемые в датчике на основе ИМФП:

• — преобразование измеряемой величины в пропорциональный электрический сигнал (обязательная функция);
• — одновременное измерение пространственных компонентов измеряемой величины;
• — одновременное измерение нескольких различных механических величин, например давления и ускорения;
• — запоминание, с дальнейшей возможностью считывания, действовавшего максимального значения и направления измеряемой величины, температуры, интегрального значения проникающего излучения;
• — проверка работоспособности и калибровка датчика, расположенного непосредственно на контролируемом объекте, или всего измерительного тракта;
• — информация о текущей температуре преобразователя;
• — компенсация частотной и температурной зависимостей метрологических характеристик;
• — демпфирование резонансных колебаний;
• — снижение погрешностей, вызванных неизмеряемыми воздействиями и влияющими факторами (деформаций контролируемого объекта, внешним давлением, магнитными и акустическими полями, вибрацией в неизмеряемых направлениях и на частотах за пределами рабочего диапазона, скачками и перепадами температуры и др.).

Очевидно, что одновременная реализация в одном типе преобразователя всех возможных функций не только технически затруднительна, но и практически не целесообразна.

Часть основных функций ИМФП, связанных с формированием измерительных сигналов, а также вспомогательные функции, обеспечивающие повышение метрологических характеристик датчика, реализуются посредством дополнительных функциональных зон. Пример реализации некоторых функций ИМФП показан на рис. 1.

Рис. 1. Схема реализации функций ИМФП

пьезоэлектрический датчик механический преобразователь Большинство названных и иных функций, необходимых для эффективной работы датчиков различного назначения, в рассматриваемой твердотельной схеме ИМФП могут быть реализованы с использованием уже известных способов и технологических приемов физико-химических воздействий на базовый материал (расположением электродов и полостей определенной конфигурации в сочетании с требуемыми режимами и направлениями поляризации, диффузионным введением примесей, нанесением слоев материалов с необходимыми свойствами, лазерной обработкой и другими технологическими приемами).

Многофункциональный принцип построения преобразователей датчиков является предпосылкой к достижению качественно новых показателей в данной области приборостроения. Применение ИМФП, особенно в сочетании со встроенными в датчик или внешними электронными системами, создает широкие возможности, недоступные для существующих ПДМВ, в том числе одновременное измерение различных физических величин. Это позволит вместо двух-трех типов обычных датчиков использовать только один.

В научном конструкторско-технологическом бюро «Пьезоприбор» Южного федерального университета уже ведутся экспериментальные работы по этому направлению и получены положительные результаты, подтверждающие принципиальную возможность создания ИМФП и перспективность их применения в датчико-преобразующей аппаратуре.

• 1. Янчич В. В., Иванов А. А., Орехов В. С. и др. Способы проверки и калибровки пьезоэлектрических акселерометров с изгибными элементами // Труды VI международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». — Ростов-на-Дону, изд-во Ростовского государственного педагогического университета, 2008. С. 176−179.
• 2. Донсков В. И., Янчич В. В., Лимарев А. М. и др. Акселерометры для измерения вибрации при высоких температурах // Вибрационная техника. — М.: МДНТП, 1978. С. 145−151.
• 3. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т. 1 (кн. 2) / Под общ. ред. Ю. Н. Коптева; Под ред. Е. Е. Багдатьева, А. В. Гориша, Я. В. Малкова. — М.: ИПРЖР, 1998. — 512 с.
• 4. Янчич В. В., Синютин С. А., Иванов А. А. и др. Пьезоэлектрические интеллектуальные датчики вибрации // Сб. трудов международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». Ростов-на-Дону: Изд-во ЦВВР, 2006. С. 75−77.
• 5. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. — М.: «Энергия», 1971, — 168 с.
• 6. Пьезоэлектрическое приборостроение / А. В. Гориш, В. П. Дудкевич, М. Ф. Куприянов и др.; Под ред. А. В. Гориша. Т. I. Физика сегнетоэлектрической керамики — М.: ИПРЖР, 1999, — 368 с.