Повышение чувствительности элементов датчиков вибрации и быстропеременного давления на основе совершенствования конструкций и пьезотехнологий

Актуальность темы

В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок, работающих в экстремальных условиях, например в ракетно-космической техники и атомной промышленности играет датчиковая аппаратура. Одними из основных средств измерения являются датчики вибрации и датчики быстропеременного давления с первичным преобразовательным элементом из пьезоэлектрической керамики. К таким элементам предъявляются достаточно жесткие требования по механической надежности и по стабильности метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения, сохранения работоспособности при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Промышленный выпуск пьезоэлектрических преобразователей (ПП) осуществляют за рубежом десятки фирм, среди которых наибольшую известность имеют «Bruel & Kjear» (Дания), «Endevco» (США), «Kistler» (Швейцария), «Vibrometer» (Германия), «ONO Sokki» (Япония) и др. В России пьезопреобразователи выпускаются на предприятиях ОАО «Элпа» (г. Зеленоград) и ОАО «Аврора-Элма» (г. Волгоград) в интересах гидроакустики, акустоэлектроники, бытовой техники. Однако использование этих преобразователей для работы в экстремальных условиях весьма проблематично из-за специальных требований, обусловленных условиями эксплуатации датчиков (высокие и низкие температуры, высокая радиация и высокие давления, большие уровни вибрации). В НКТБ «Пьезоприбор» эта задача решена в научном плане путем создания многослойных монолитных конструкций преобразователей, защищенных от действия «паразитной» вибрации. В тоже время быстрорастущие требования к качеству и надежности таких преобразователей потребовали дополнительной постановки специальных программ, в которых планировалось найти решения по обеспечению стабильности работы изделий в экстремальных условиях эксплуатации.

Актуальной задачей являются исследования по разработке новых конструкций пьезоэлектрических преобразователей и новой технологии их изготовления, обеспечивающей получение более высоконадежных и высокоэффективных датчиков, представляющих достоверную измерительную информацию о состоянии и работоспособности сложных технических объектов. Целью работы является решение научной задачи по созданию пьезоэлектрических преобразователей для датчиков, эксплуатируемых в экстремальных условиях и обеспечивающих измерение вибрации и быстропеременного давления, а также исследование характеристик этих преобразователей.

Задачи диссертационной работы.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

— проведение анализа и выбор пьезокерамических материалов, предназначенных для конструирования пьезоэлектрических преобразователей, способных работать в экстремальных условиях;

— разработка методом конечных элементов конструкций пьезоэлектрических преобразователей, обеспечивающих измерение и контроль параметров изделий в экстремальных условиях;

— разработка новых технологий изготовления пьезоэлектрических преобразователей, обеспечивающих измерение вибрации и быстропеременного давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов;

Методы исследований. При решении перечисленных научных задач использованы основные положения физики твердого тела, теории упругости, сопротивление материалов и методы математического моделирования физических процессов в твердотельных сегнетоэлектрических структурах.

Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планировании эксперимента и статистической обработке полученных результатов.

Предметом исследований являются высокотемпературные пьезокера-мические материалы и конструкции чувствительных элементов датчиков с высокими метрологическими характеристиками.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:

— разработаны высокоэффективные биморфные преобразователи и обоснован выбор конструкций чувствительных элементов и технологии их получения для датчиков вибрационного ускорения при работе в экстремальных условиях (патент РФ 2 212 736, МПК7 Н OIL 41/083, G 01Н11/08, Н 04R 17/00 Пьезоэлектрический изгибный преобразователь / Доля В. К., Вусевкер В. Ю., Панич А.Е.- заявитель и патентообладатель Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор» Ростовского государственного университета. — № 200 030 659- заявл. 12.11.2001; опубл.20.09.2003, Бюл. № 26, 4с);

— разработаны физико-технологические принципы построения преобразователей для трехкомпонентных датчиков контроля вибрации атомного энергетического оборудования (патент РФ230 142, МПК7 G 01 Р 15/09 Пьезоэлектрический акселерометр /Вусевкер В.Ю., Панич А. Е., Филиппов Е. В., Це-ханский K.P., Войтенко В.Б.- заявитель и патентообладатель — Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования" Ростовский государственный университет" .- № 2 005 141 270/28 за-явл.28.12.2005; опубл. 20.06 2007, Зс);

— сформулирована конечно-элементная модель пьезоэлектрического датчика пульсации давления, на основе математического моделирования которой получены конструкции чувствительных элементов для указанных датчиков;

— разработана конструкция виброзащищенного пьезоэлектрического преобразователя для датчиков быстропеременного давления (патент РФ 2 215 275.

Бутов В.И., Вусевкер В. Ю., Мокров Е. А., Панич А. Е. Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления. Опубликован 27.10.2003, бюл. № 30, 4с.).

На защиту выносятся результаты исследований пьезокерамических материалов для использования их в датчиках, работающих в экстремальных условиях, и методы повышения чувствительности пьезопреобразователей, в том числе:

1. Математическая модель, математическое моделирование и расчет конструкций многослойных монолитных ГШ методом конечных элементов для датчиков вибрации, быстропеременного и акустического давления.

2. Результаты исследований характеристик ПП изгибного типа, обладающих повышенной прочностью для возможности работы в экстремальных условиях эксплуатации.

3. Результаты разработки конструкции ПП для датчиков вибрации из различных пьезокерамических материалов, работоспособных в диапазонах температур минус 196−300 °С (ЦТС-83Г), минус 196−500 °С (НТВ-1) и обеспечивающим пьезоэлектрическую чувствительность: 2200 пКл/Н (ЦТС-83Г), 100 пКл/Н (НТВ-1);

4. Результаты разработки метода термокомпрессионной сварки, обеспечивающего необходимую жесткость и монолитность ПП, снижающего влияние механических напряжений на метрологические характеристики и расширяющего рабочий температурный диапазон пьезопреобразователей;

5. Результаты исследования и разработки конструкции трехсекцион-ного ПП, предназначенного для датчика измерения вибрации в трех взаимно-перпендикулярных направлениях.

6. Результаты исследования и разработки конструкции пьезоэлектрического преобразователя быстропеременного давления, защищенного от воздействия «паразитной» вибрации и обеспечивающего измерение давления сверхмалых уровней при воздействии высоких значений статического давления и температуры.

Практическая значимость результатов.

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в НКТБ «Пьезоприбор» и способствует решению актуальной научно-технической задачи — созданию высоконадежных и высокоэффективных датчиков, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Достигнуто снижение трудоемкости в четыре раза за счет введения в технологический процесс операции термокомпрессионной сварки на серебре, которая позволяет исключить склейку многослойных пьезоэлектрических преобразователей, что увеличивает надежность и температурную стабильность чувствительных элементов датчиков вибрации и быстропере-менного давления.

2. Впервые решена задача измерения вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях одним датчиком.

3. Создана конструкция пьезоэлектрического трехслойного преобразователя изгибного типа, обеспечивающего на 25% большую пьезоэлектрическую чувствительность при тех же массогабаритных характеристиках. Реализация и внедрение результатов работы.

В результате теоретических и экспериментальных исследований повышена пьезоэлектрическая чувствительность пьезопреобразователей изгибного типа, на базе которых сконструированы датчики вибрации, серийно выпускаемые на предприятии ОАО «НПО ИТ» (г. Королев) (акт внедрения № 5).

Предложенная конструкция 1111 с разнонаправленной поляризацией позволила создать датчик вибрации с одним инерционным грузом. Данная конструкция внедрена и применяется при серийном выпуске датчиков 2ПА-6Т, 2ПА-25 и 2ПА-6Т. Эти датчики используются при контроле вибрации тепловыделяющих элементов в атомных реакторах и для контроля вибрации трубных систем теплообменного оборудования. Датчики 2ПА-24 применяются для одновременного измерения двух составляющих вибрации деталей и узлов машин. На основе трехкомпонентных ПП выпускаются датчики ЗПА-40ТК и ЗПА-51, обеспечивающие одновременное измерение вибрации в трех направлениях. Указанные разработки внедрены на предприятии ФГУП ЦНИИТМАШ (г. Москва) (акт внедрения № 6).

Разработанные 1111 для датчиков быстропеременного и акустического давления не чувствительных к вибрации имеют обратимые изменения коэффициента преобразования не выше 10% и обладают преимуществом по пьезоэлектрической чувствительности более чем в четыре раза по сравнению с аналогами ДХС-514 и JIX-511. На основе данной разработки начат серийный выпуск аппаратуры аварийной защиты для ракетно-космической техники на предприятии ОАО’НИИФИ (г. Пенза). Апробация результатов работы.

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих технических конференциях и симпозиума: IX международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» 2003 г., г. МоскваVIII международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» 2002 г., г. МоскваМеждународной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2003,2003 г., г. МоскваМеждународной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2002, 2002 г., г. МоскваМеждународной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2000, 2000 г., г. МоскваXXI научно-технической конференции молодых специалистов.

Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века", г. Пенза, НИИФИ, 2002 г.- XXII научно-технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2003 г.- XXIII научно-технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2004 г.- VI научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», г. Анапа, 2008.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 2 в журнале входящим в перечень ВАК, получено 5 патентов России на изобретения.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, заключения и пяти основных глав. В работе приводится список литературы из.наименований. Работа содержи 145 стр. машинописного текста, включая .рис.,. табл., приложения.

4.8 Основные результаты:

1. Проведено компьютерное моделирование и расчет методом конечных элементов многослойных монолитных конструкций чувствительных элементов. Разработаны конструкции монолитных многослойных преобразователей ПМ-1 из пьезокерамического материала ЦТС-83Г, ПМ-1−01 и ПМ-1−02 из пьезокерамического материала НТВ-1, изготовленные методом термокомпрессионной сварки.

Предложенная конструкция преобразователей позволила получить предельно высокие значения пьезоэлектрической чувствительности, высокую стабильность и повторяемость параметров пьезопреобразователей, упростить сборку и монтаж датчиков, и в итоге повысить надежность акселерометров.

2. Разработана конструкция преобразователя ПМ-2 для измерения вибрации в ограниченном пространстве в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Такой преобразователь представляет собой монолитный многослойный пакет пьезокерамических пластин, часть из которых представляет собой чувствительные элементы с разнонаправленной поляризацией. Это позволило разработать промышленные модели высокотемпературных двухи трехкомпонентных датчиков вибрации атомного энергетического оборудования, отличающиеся достаточно высокой высокой чувствительностью и помехозащищенностью из-за дифференциального принципа работы пьезоэлектрического преобразователя. На данный преобразователь получен патент на изобретение /77/.

3. Методом конечных элементов рассчитана оптимальная конструкция пьезоэлектрического преобразователя с добавлением компенсационного элемента, представляющего трехслойный изгибный элемент, Рассмотрено два вида компрессионного элемента: с 5-ю и 6-ю слоями. Выбраны оптимальные соотношения геометрических размеров, позволяющие получить полную компенсацию «паразитного» вибросигнала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя общий итог диссертационной работы, можно сделать следующие выводы и заключения:

1. Проведен анализ и выбор пьезокерамических материалов, предназначенных для изготовления чувствительных элементов датчиков, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

2. Разработаны физико-технологические основы процесса изготовления многослойных монолитных пьезопреобразователей методом термокомпрессионной сварки. При этом снижена трудоемкость изготовления ПП в 4 раза, увеличена его температурная стабильность, увеличена пьезоэлектрическая чувствительность на 25%, при тех же массогабаритных характеристиках.

3. Установлено, что сварные конструкции преобразователей превосходят клеевые по стабильности резонансной частоты более чем 10 раз. Коэффициенты преобразования по напряжению увеличиваются в 2−5 раз, по заряду — в 1,5 раза.

4. Изучено влияние вибрационных и ударных ускорений на биморфные преобразователи и разработанные трехслойные преобразователи с наличием пассивного слоя. Показаны преимущества трехслойного преобразователя, позволившие получить максимальные значения чувствительности по заряду Кд=25,0 пКл/g при соотношении толщин активного и пассивного слоев 0,3/0,8.

5. Математическое моделирование монолитных преобразователей позволило:

— установить соотношение геометрических размеров конструкции чувствительного элемента датчика быстропеременного давления, при котором автоматически компенсируется «паразитные» вибрации, путем введения в конструкцию ПП компенсационного многослойного элемента с радиусом R2= 4.35 ммразработать конструкцию многослойного монолитного чувствительного элемента (модуля) ПМ-1, изготовленного из пьезокерамического материала ЦТС-83Г и обладающего высокой стабильностью пьезоэлектрической чувствительности в температурном диапазоне от минус 196 до 300 °C. На базе разработанной конструкции планируется создать унифицированный параметрический ряд чувствительных модулей с рабочими температурами от минус 196 до 500 °C.

— создать многослойный трехсекционный преобразователь ПМ-2 из пьезокерамического материала НТВ-1 с диапазоном рабочих температур от -196 до 500 °C для измерения вибрации в ограниченном пространстве в трех взаимно-перпендикулярных направлениях.

6. Проведены испытания разработанных конструкций преобразователей при высоких и криогенных температурах, сильных механических, вибрационных и ударных нагрузках, длительном хранении. Результаты испытаний показали высокую стабильность коэффициента преобразования по заряду во всем температурном диапазоне, а также при высоких статических нагрузках. Обратимые и необратимые изменения не превышают допустимых значений.

Таким образом, решена научная задача по исследованию характеристик и созданию пьезоэлектрических преобразователей для датчиков, эксплуатируемых в экстремальных условиях и обеспечивающих высокую эффективность и стабильность характеристик при измерении вибрации и быстропеременного давления.