ВЕКТОРНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения волновых параметров деформационных полей динамических силовых агрегатов и механизмов в машиностроении и статических нагруженных конструкций в строительстве.

Известны пьезоэлектрические одноканальные (однокомпонентные) виброакселерометры с чувствительным элементом, имеющим одну измерительную ось (см. Проспект Brüel & Kjær Master Catalogue 2004, Product Data: Miniature Triaxial Charge Accelerometer - Types 4326 A, c.3, http://www.bksv.com).

Однако эти виброакселерометры обеспечивают измерение лишь проекции вектора виброускорения на измерительную ось датчика.

Известны трехканальные («трехкомпонентные») вибропреобразователи, представляющие собой конструкции из трех ортогонально ориентированных одноканальных датчиков, размещенных в общем корпусе, позволяющие повысить точность измерения волновых параметров (спектра векторов) механических колебаний (см. Проспект Brüel & Kjær Master Catalogue 2004, Product Data: Piezoelectric Accelerometer Model 2228C, http://www.bksv.com).

В указанных трехканальных датчиках, измеряющих виброускорение тремя чувствительными элементами вдоль трех осей, чувствительные элементы пространственно разнесены (три измерительные точки), имеют фазовые рассогласования при измерении проекций вектора, при этом каждый пьезоэлемент обладает собственными параметрами поперечной чувствительности. С целью устранения указанных недостатков подобные конструкции принято оснащать разнообразными, в том числе встраиваемыми, электронными корректорами-кондиционерами электрических сигналов, что, естественно, снижает достоверность информации, диапазоны и области применения. Поэтому показания совокупности трех одноканальных вибродатчиков, в общем случае, нельзя отождествлять с проекциями вектора виброускорения. К тому же, технология изготовления таких датчиков усложнена из-за высоких требований к повторяемости и качеству расположения поверхностей и измерительных осей отдельных пьезоэлементов, что увеличивает себестоимость изготовления.

Известен вибропреобразователь для синфазного измерения всех трех компонент вектора на одном чувствительном элементе, в единой измерительной точке на основе пьезокристалла цилиндрической формы, но с поперечной чувствительностью, соизмеримой с полезным сигналом (см. Цернантр А.А. и др. Векторный вибромониторинг - инструмент объектной волновой томографии в строительстве, журнал БСТ, ежемесячное издание материалов по техническому регулированию в строительстве, №12, 2006, с.52).

Однако измерения такого датчика также нельзя отождествлять с проекциями вектора виброускорения, что связано с указанной выше проблемой поперечной чувствительности, заключающейся в том, что при полном совпадении направления вектора с измерительной осью кристалла происходит достаточно точное измерение величины виброускорения, но при этом на гранях пьезоэлемента в направлении двух других координат также образуются электрические заряды, определяемые свойством поперечной чувствительности. При ортогональном относительно измерительной оси датчика расположении вектора виброускорения в ее направлении также образуется заряд, определяемый свойством поперечной чувствительности, которое существенно влияет на достоверность измерения параметров вибрации.

Ограничением известных устройств является то, что матрица пьезомодулей, описывающая пространственное преобразование механических воздействий в заряд, обеспечивает отсутствие поперечной чувствительности по всем трем осям X, Y, Z только в идеальном случае, когда по всему объему и поверхности пьезоэлемента механические напряжения являются однородными. В реальной конструкции в пьезоэлементе возникают локальные механические напряжения, вызванные множеством причин, главными из которых являются:

- локальные концентраторы напряжений (клеевое или паечное крепление проводников съема заряда непосредственно к поверхности граней пьезоэлемента, низкое качество ручной технологии нанесения клеевых токопроводящих покрытий и диэлектрических клеев, лабораторные режимы полимеризации и термостабилизации клеев и герметика, кустарные операции крепления пьезоэлемента к диэлектрической подложке и т.п.),

- низкая повторяемость и качество пьезоэлементов (неоднородность состава материала, нарушение формы и расположения поверхностей и осей отдельных плоскостей).

Любые перечисленные технологические отклонения являются причинами концентрации напряжений на поверхностях зарядообразования пьезоэлемента, что увеличивает поперечную чувствительность каждой компоненты и соответственно снижает точность и достоверность измерений. Пьезомодули находящегося в механически неоднородном напряженном состоянии пьезоэлемента изменяют вид матрицы - становятся не равными нулю те компоненты тензора, которые реализуют свойство поперечной чувствительности. Особенно сильно это проявляется для боковых граней прямоугольного параллелепипеда, т.к. они испытывают сдвиг в плоскостях XZ и YZ. Если локальные напряжения достаточно велики, то поперечная чувствительность может достигать 50%, несмотря на то, что пьезоэффект чувствительного элемента в свободном состоянии описывается соответствующей идеальной матрицей.

Из известных конструкций трехкомпонентных пьезоэлектрических вибропреобразователей с одним чувствительным элементом наиболее близкой к предлагаемому по технической сути и достигаемому результату является вибропреобразователь, содержащий корпус с закрепленным в нем пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, и с элементами съема заряда в виде электропроводящих поверхностей, закрепленных на его гранях и электрически изолированных друг от друга, проводники для съема зарядов и диэлектрическую подложку, на которой установлено квадратное основание пьезоэлемента, полярная ось которого перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, при этом матрица пьезоэлектрических постоянных пьзоэлемента имеет следующий вид:

0000d₁₅ 0000d₂₄ 00d₃₁ d₃₂ d₃₃000,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации,

электропроводящие поверхности выполнены из токопроводящего клея, проводники для съема зарядов с боковых граней размещены в области одной из вершин каждой прямоугольной электропроводящей поверхности, с верхней грани - в центре, а с нижней - с выступа подложки (RU №2229136, G01P 15/09, 2002).

Указанное устройство позволяет синхронно измерять проекции вектора виброускорения в единой точке, решая проблему поперечной чувствительности и синфазности компонент векторов виброускорения, измеряемых на одном чувствительном элементе в декартовой системе координат.

Однако указанный преобразователь обладает ограниченными метрологическими возможностями в связи с конструктивно-технологическими особенностями организации съема зарядов.

Реализованный в указанном устройстве способ съема зарядов путем клеевого закрепления двух пар проводников гальванической связи в определенной области вершин прямоугольников электропроводных покрытий боковых граней пьезоэлемента малоэффективен, поскольку крепление третьей пары проводников предусмотрено в центре верхней свободной грани и в произвольном месте выступающей за пределы нижней грани подложки. Миниатюрные размеры пьезоэлемента (чувствительного элемента) диктуют ручную технологию нанесения металлизированного токопроводящего клеевого покрытия или металлизации (напыления) граней, к которым, в свою очередь, вручную приклеиваются проводники гальванической связи. Ручные операции нанесения покрытий не в полной мере решают проблему локальных механических напряжений (неоднородностей), а несимметричное крепление проводников непосредственно к граням пьезоэлементов способствует местной (локальной) концентрации напряжений. Технологическая реализация способа съема зарядов не обеспечивает высокое качество производства и стабильность технических характеристик по основным метрологическим параметрам.

Кроме того, к числу недостатков известного устройства относятся следующие: влияние инерционных свойств проводников при непосредственном их креплении к поверхностям граней пьезоэлемента, влияние на точность измерений (шумы) трибоэффекта от трения изоляции проводников, переходящих в соединительный кабель усилителя заряда, неоднородность материала пьезоэлемента, его металлизированных поверхностей и токопроводящих клеевых элементов съема заряда, отклонения от параллельности и ортогональности граней пьезоэлемента, подверженность искрообразованию титанового корпуса при внешних ударно-механических воздействиях, низкая повторяемость и качество расположения поверхностей и осей отдельных элементов преобразователя при ручной сборке.

В результате, параметры поперечной чувствительности находятся в диапазоне 4÷9%, т.е. на пределе общепринятых международных требований (<5%) для одноканальных и трехканальных датчиков.

В основу настоящего изобретения положена задача создания векторного пьезоэлектрического вибропреобразователя, обеспечивающего повышение точности измерения и фазосбалансированности измеряемых компонент вектора за счет уменьшения параметров поперечной чувствительности путем вывода концентраторов напряжений за пределы областей съема заряда чувствительного элемента и увеличение эксплуатационной надежности устройства за счет крепления проводников для съема зарядов за пределами чувствительного элемента.

Реализованная в предлагаемом изобретении схема съема зарядов технологически минимизирует неоднородность и механические напряжения пьезоэлемента, позволяет повысить фазосбалансированность каналов измерения, увеличить резонансные частоты, что расширяет метрологический диапазон и повышает достоверность измерений. Прецизионность измерения волновых параметров механических полей позволяет говорить об адекватности тензорных представлений свойств пьезоэлемента деформационным критериям прочности на основе обобщенных инвариантов тензора напряжений, определяющих реальные физические свойства и прочностные характеристики объектов мониторинга.

Поставленная задача достигается тем, что в векторном пьезоэлектрическом вибропреобразователе, содержащем корпус с закрепленным в нем пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием и с элементами съема заряда в виде электропроводящих поверхностей, закрепленных на его гранях и электрически изолированных друг от друга, проводники для съема зарядов и диэлектрическую подложку, на которой установлено квадратное основание пьезоэлемента, полярная ось которого перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, а матрица пьезоэлектрических постоянных пьзоэлемента имеет следующий вид:

0000d₁₅ 0000d₂₄ 00d₃₁ d₃₂ d₃₃000,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации,

согласно изобретению каждая электропроводящая поверхность выполнена в виде пластины с выступающим на одной из ее сторон за пределы соответствующей грани параллелепипеда лепестком, изготовленной из изотропной медной фольги и закрепленной на грани параллелепипеда посредством полимеризуемого термореактивного токопроводящего материала, при этом на каждой паре смежных пластин лепестки ориентированы на разные ребра параллелепипеда, в каждом лепестке выполнена просечка для крепления проводника для съема зарядов, а ось каждого лепестка совпадает с одной из плоскостей симметрии соответствующей пластины.

В предпочтительных вариантах воплощения устройства:

- выступающие лепестки имеют форму плоской гофры;

- ширина электроизоляционных зазоров между каждой парой смежных пластин на ребрах параллелепипеда составляет не менее 0,1÷0,2 мм;

- отношение высоты параллелепипеда h к длине стороны квадратного основания b выбирают из соотношения высота/длина в пределах h/b=0,3÷1,2;

- пьезоэлемент имеет диэлектрическую проницаемость не менее 500;

- проводники для съема зарядов выполнены в виде одножильного антивибрационного малошумящего экранированного кабеля типа АВКТ с термостойкой оплеткой и низким показателем трибоэффекта с медным токонесущим проводником диаметром не более 0,1 мм;

- каждый проводник прикреплен к лепестку посредством пайки или полимеризуемого термореактивного токопроводящего материала;

- квадратное основание пьезоэлемента с закрепленной на нем электропроводящей поверхностью прикреплено к подложке посредством полимеризуемого термореактивного диэлектрического материала;

- подложка соединена с основанием корпуса посредством полимеризуемого термореактивного диэлектрического клея;

- корпус выполнен из взрывобезопасной нержавеющей стали;

- полость, образованная между внутренней поверхностью корпуса и пьезоэлементом с подложкой, заполнена герметиком;

- в качестве герметика использован термореактивный диэлектрический материал.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, где на фиг.1. показан общий вид векторного вибропреобразователя, на фиг 2 показана схема съема заряда за пределами пьезоэлемента, на фиг.3 - выполнение токосъемной пластины с выступающим лепестком в виде плоской гофры.

Векторный пьезоэлектрический вибропреобразователь содержит корпус 1 с основанием 2, в котором установлен пьезоэлемент 3 с электропроводящими токосъемными пластинами 4, на внутренние поверхности которых нанесен полимеризуемый термореактивный токопроводящий материал, диэлектрическую подложку 5, монтажные лепестки 6 с просечкой для крепления проводников съема зарядов 7. Пьезоэлемент 3 с пластинами 4 и подложкой 5 образуют вместе неразборный неремонтопригодный технологический узел - пьезопакетник, соединяемый с корпусом 1 посредством полимеризуемого термореактивного клея. Полость, образованная между внутренней поверхностью корпуса 1 и пьезопакетником, заполнена термореактивным диэлектрическим герметиком 8. Пьезоэлемент 3 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием. Ось каждого лепестка 6 совпадает с одной из плоскостей симметрии пластины 4.

Матрица пьезоэлектрических постоянных пьзоэлемента имеет следующий вид:

0000d₁₅ 0000d₂₄ 00d₃₁ d₃₂ d₃₃000,

где d_ij - пьезомодуль (Кл/Н),

i - индекс пьезоэлектрического поля,

j - индекс деформации.

На все грани пьезоэлемента 1 термоспособом крепятся электропроводящие токосъемные пластины 4 из изотропной медной фольги. Пластины 4 имеют выступающие за пределы пьезоэлемента лепестки 6 с просечкой для крепления пайкой или клеем проводника 7 информационного кабеля, при этом на каждой паре смежных пластин 4 лепестки 6 ориентированы на разные ребра параллелепипеда для исключения гальванической связи.

Принципиальной особенностью конструкции является использование для съема заряда тонких пластин 4 из изотропной медной фольги с предварительно нанесенным на внутреннюю поверхность термореактивным полимеризуемым электропроводным клеем для крепления к граням пьезоэлемента 3. Форма пластины 4 повторяет соответствующую грань пьезоэлемента 3, а ее размеры уменьшены относительно вышеуказанных граней на 0,1-0,2 мм для обеспечения гальванической развязки между соседними токосъемными пластинами. Главный источник концентраторов напряжений на поверхностях граней пьезоэлемента 3 (места крепления проводников) удалены с поверхностей съема заряда чувствительного элемента. Пластины 4 имеют выступающие за пределы пьезоэлемента монтажные лепестки 6 с просечкой для крепления пайкой или клеем проводников 7 информационного кабеля, при этом на каждой паре смежных пластин 4 лепестки 6 ориентированы на разные ребра параллелепипеда. К лепесткам 6 токосъемных пластин 4 вне пьезоэлемента 3 припаиваются или приклеиваются токопроводящим клеем тонкие медные проводники 7 (диаметром не более 0,1 мм) одножильного антивибрационного малошумящего экранированного информационного кабеля типа АВКТ с термостойкой оплеткой и низким показателем трибоэффекта, передающие заряд с каждой грани чувствительного пьезоэлемента 3 на соответствующий вход усилителя заряда (на фиг.1 не показан) для регистрации или последующей обработки. Как показано на фиг.3, выступающие лепестки 6 могут иметь форму плоской гофры, что снижает степень динамического влияния на пьезоэлемент 3 через токосъемные пластины 4 от передачи механических воздействий на узлы крепления проводников к монтажным лепесткам 6. Такая конструкция позволяет в наибольшей степени обеспечить однородность возникающих в кристалле пьезоэлемента 1 механических напряжений.

В качестве подложки 5 может быть использована пластина, выполненная из кварца.

Пьезопакетник помещают в корпус из нержавеющей стали, которая, в отличие от титана, удовлетворяет требованиям электробезопасности (искро-взрывобезопасности) газотранспортных систем.

Выбор материала и геометрических размеров пьезоэлемента позволяют повысить точность измерений и верхний предел частотного диапазона вибропреобразователя, а также уменьшить габариты устройства за счет исключения из конструкции инерционной массы. Оптимальными для метрологических целей являются пьезокерамика или монокристалл с диэлектрической проницаемостью ε не менее 500 при отношении высоты h прямоугольного параллелепипеда к длине b стороны квадратного основания в пределах 0,3<h/b<1,2.

При монтаже пьезопакетник с технологически обеспеченным направлением измерительных осей Х_и, Y_и, Z_и ориентируют строго и соответственно направлениям монтажных осей Х_м, Y_м, Z_м посадочного места крепления в основании корпуса. Целесообразность ориентации измерительных осей пьезопакетника вибропреобразователя относительно измерительной точки объекта мониторинга определяется с учетом максимальной чувствительности в направлении измерительной оси Z_и чувствительного элемента (пьезомодули «растяжения-сжатия») по отношению к направлениям измерительных осей Х_и, Y_и чувствительного элемента (пьезомодули «сдвига»). Ориентация выходного разъема вибропреобразователя относительно измерительной поверхности объекта мониторинга определяется с учетом удобства и безопасности монтажа и эксплуатации.

Съем зарядов в предлагаемом вибропреобразователе осуществляется следующим образом.

Вектор поляризации керамики, параллельный оси Z, перпендикулярен плоскости крепления пьезоэлемента 3 к подложке 5. Если вибрация направлена вдоль оси Z, в пьезоэлементе 3 возникает деформация растяжения-сжатия в том же направлении, а поскольку кристалл выбран с представленной матрицей пьезомодулей, то используется пьезомодуль d₃₃, и заряд появляется лишь на нижней и верхней гранях прямоугольного параллелепипеда, перпендикулярных оси Z.

В случае вибрации в направлении оси Х в кристалле возникает деформация сдвига в плоскости XZ, при этом используется пьезомодуль d₁₅, и заряды появляются лишь на гранях, ортогональных оси X. При вибрации в направлении оси Y в кристалле пьезоэлемента 3 возникает деформация сдвига в плоскости YZ, и при использовании пьезомодуля d₂₄ заряды возникают лишь на гранях, ортогональных оси Y. Так как в направлениях осей Х и Y при данной конструкции невозможно создать деформацию растяжения-сжатия, то пьезомодули d₃₁ и d₃₂ не задействованы.

Если вектор виброускорения имеет произвольную ориентацию в пространстве, то одновременное использование трех пьезомодулей d₃₃, d₁₅, d₂₄ одного чувствительного элемента позволяло бы достоверно измерить его проекции на оси X, Y, Z. Однако в известных конструкциях, в которых съем заряда производят из центра расположенных на гранях прямоугольников электропроводного слоя 4, а в качестве самого электропроводного слоя 4 используется металлический слой, полученный, например, методом напыления, не удается обеспечить равенство нулю соответствующих пьезомодулей описанной выше матрицы. В результате возникает поперечная чувствительность пьезоэлемента 3 по всем трем осям X, Y, Z. Действительно, если использовать обычный металлический слой в качестве электропроводного слоя 4, а затем припаивать пьезоэлемент 3 к металлической подложке, то возникающие механические напряжения будут иметь значительную величину, и, самое главное, они будут различными в различных областях кристалла. Даже распайка проводов в соответствующих точках крепления приводит к возникновению локальных механических напряжений, и пьезомодули, имеющие значение 0 для свободного кристалла, после его монтажа приобретают, если принять значения пьезомодулей d₃₃, d₁₅, d₂₄ за 100%, величины, достигающие 50%.

Как показали исследования, величины и неоднородность механических напряжений можно существенно снизить, если вывести места крепления проводников к токосъемным элементам за пределы граней пьезоэлемента.

Предлагаемый пластинчато-лепестковый способ съема заряда с чувствительного элемента позволяет не только реализовать промышленные технологии изготовления деталей и монтажа пьезопакетника, что минимизирует неоднородность и механические напряжения на гранях пьезоэлемента, но и выводит точки крепления проводников к элементам съема заряда, как наиболее выраженные концентраторы напряжений, за пределы поверхностей съема заряда чувствительного элемента. В отличие от наиболее близкого аналога предложенный способ съема заряда за счет устранения технологически обусловленных концентраторов напряжений, улучшает линейность АЧХ, повышает фазосбалансированность каналов и достоверность измерений в целом. Возможность прецизионного измерения фазовых сдвигов параметров волновых механических полей позволяет объективно оценивать анизотропные свойства, напряженно-деформированные состояния и текущий эксплуатационный ресурс прочности. Фазочувствительность векторных вибропреобразователей является фундаментальным метрологическим свойством для мониторинга и диагностики силовых агрегатов, механизмов и конструкций.

Реализуемый в предлагаемой конструкции способ съема заряда может быть применен в любых пьезоэлектрических средствах измерений вибрации и пространственных деформаций.

Изобретение предназначено для измерения деформационных параметров силовых агрегатов и конструкций. Вибропреобразователь содержит корпус 1 с закрепленным в нем пьезоэлементом 3, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием и с элементами съема заряда в виде электропроводящих поверхностей 4, закрепленных на его гранях и электрически изолированных друг от друга, проводники для съема зарядов 7 и диэлектрическую подложку 5, на которой установлено квадратное основание 2 пьезоэлемента 3, полярная ось которого перпендикулярна плоскости его крепления к подложке 5. Каждая электропроводящая поверхность 4 выполнена в виде пластины с выступающим на одной из ее сторон за пределы соответствующей грани параллелепипеда лепестком 6, изготовленной из изотропной медной фольги и закрепленной на грани параллелепипеда посредством полимеризуемого термореактивного токопроводящего материала, при этом на каждой паре смежных пластин лепестки 6 ориентированы на разные ребра параллелепипеда, в каждом лепестке 6 выполнена просечка для крепления проводника для съема зарядов 7, а ось каждого лепестка 6 совпадает с одной из плоскостей симметрии соответствующей пластины 4. Такая конструкция преобразователя позволяет вывести точки крепления проводников к элементам съема заряда, как наиболее выраженные концентраторы напряжений, за пределы поверхностей съема заряда чувствительного элемента и позволяет реализовать технологии изготовления деталей и монтажа пьезопакетника промышленным образом, что минимизирует неоднородность и механические напряжения на гранях пьезоэлемента. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Векторный пьезоэлектрический вибропреобразователь, содержащий корпус с закрепленным в нем пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием и с элементами съема заряда в виде электропроводящих поверхностей, закрепленных на его гранях и электрически изолированных друг от друга, проводники для съема зарядов и диэлектрическую подложку, на которой установлено квадратное основание пьезоэлемента, полярная ось которого перпендикулярна плоскости его крепления к подложке, при этом матрица пьезоэлектрических постоянных пьзоэлемента имеет следующий вид:

0000d₁₅ 0000d₂₄ 00d₃₁ d₃₂ d₃₃000,

где d_ij - пьезомодуль, Кл/Н,

i - индекс пьезоэлектрического поля, j - индекс деформации,

отличающийся тем, что каждая электропроводящая поверхность выполнена в виде пластины с выступающим на одной из ее сторон за пределы соответствующей грани параллелепипеда лепестком, изготовленной из изотропной медной фольги и закрепленной на грани параллелепипеда посредством полимеризуемого термореактивного токопроводящего материала, при этом на каждой паре смежных пластин лепестки ориентированы на разные ребра параллелепипеда, в каждом лепестке выполнена просечка для крепления проводника для съема зарядов, а ось каждого лепестка совпадает с одной из плоскостей симметрии соответствующей пластины.