ДАТЧИК ВИБРАЦИЙ Российский патент 2019 года по МПК G01H9/00 G01L1/16 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к датчикам измерения вибрационных деформаций на поверхности конструкции, и может быть использовано для диагностики вибрационного напряженно-деформированного состояния и дефектоскопии конструкций в аэрокосмической, нефтегазовой и транспортной технике.

Известен резистивный датчик деформаций (см. стр. 228 [Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). - М.: Машиностроение, 1981 - Т.5. Измерения и испытания. - Под ред. М.Д. Генкина. 1981. - 496 с.] http://know.alnam.ru/book_vb5.php?id=66), состоящий из трех однотипных круговых секторных чувствительных элементов с различными пространственными ориентациями их внутренней структуры, двух электродов у каждого элемента, клеевой прослойки между датчиком и диагностируемым локальным участком поверхности конструкции.

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность, отсутствие визуализации диагностики анизотропных вибрационных деформаций и не применимость для диагностирования деформаций на протяженном участке поверхности конструкции.

Известен векторный пьезоэлектрический вибропреобразователь (патент RU №2347228, 20.02.2009), состоящий из пьезоэлемента в виде прямоугольного параллелепипеда с элементами съема зарядов с попарно противолежащих и изолированных друг от друга прямоугольных электродов на его гранях.

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность, отсутствие визуализации диагностики анизотропных вибрационных деформаций и не применимость для диагностирования деформаций на протяженном участке поверхности конструкции.

Известен пьезооптический датчик вибраций (Patent US 6305227 B1. Sensing systems using quartz sensors and fiber optics / Jian-qun Wu, Kevin F, Didden, Alan D. Kersey, Phillip E. Pruett, Arthur D. Hay. - Опубл. 23 октября 2001 г.), состоящий из источника света, световода, системы чувствительных точечных пьезоэлементов, информативный электрический сигнал с которых трансформируется в механическое воздействие на световод для изменения его оптических характеристик, в частности, светопроводности в соответствии с внешним диагностируемым механическим воздействием.

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность, отсутствие визуализации результатов диагностики анизотропных вибрационных деформаций поверхности конструкции.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является датчик вибраций (патент GB 843274 А, 04.08.1960), содержащий два электрода, пьезоэлектрический элемент, соединенный с первым электродом, и электролюминесцентный элемент, контактирующий с пьезоэлектрическим элементом и вторым электродом, при этом электроды выполнены с возможностью управления интенсивностью свечения электролюминесцентного элемента посредством подключения с помощью подводящих электродов к источнику питания с варьируемым электрическим напряжением, внешний приемник-анализатор интенсивности монохромного свечения электролюминесцентного элемента. Данная конструкция принята за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - два электрода, между которыми последовательно расположены соединенные между собой пьезоэлектрический и электролюминесцентный элементы; электроды выполнены с возможностью управления интенсивностью свечения электролюминесцентного элемента посредством подключения с помощью подводящих электродов к источнику питания с варьируемым электрическим напряжением; внешний приемник-анализатор интенсивности свечения.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются низкая точность (практически, невозможность) диагностирования характеристик анизотропии вибраций локального участка поверхности исследуемой конструкции и неприменимость устройства для диагностирования непрерывных вибрационных полей, распределенных на протяженном участке поверхности конструкции.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности диагностирования характеристик анизотропии вибраций исследуемой конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном датчике вибраций, содержащем два электрода, между которыми последовательно расположены соединенные между собой пьезоэлектрический и электролюминесцентный элементы, при этом электроды выполнены с возможностью управления интенсивностью свечения электролюминесцентного элемента посредством подключения с помощью подводящих электродов к источнику питания с варьируемым электрическим напряжением, внешний приемник-анализатор интенсивности свечения, согласно изобретению пьезоэлектрический элемент выполнен составным, включающим от двух до шести пьезоэлектрических элементов с различными взаимными пространственными ориентациями направлений поляризаций, при этом направления поляризаций произвольных трех пьезоэлектрических элементов являются некомпланарными для случая наличия от трех до шести пьезоэлектрических элементов в датчике вибраций, число пьезоэлектрических элементов равно числу диагностируемых параметров анизотропной вибрации конструкции, электролюминесцентный элемент выполнен составным, состоящим из электролюминесцентных элементов с различными частотами светоотдач, число которых равно числу пьезоэлектрических элементов, внешний приемник-анализатор выполнен с возможностью обработки интенсивностей полихромного спектра свечений от электролюминесцентных элементов датчика вибраций.

Пьезоэлектрические элементы могут быть в виде однотипных круговых цилиндрических секторов и общие первый и второй электроды выполнены плоскими круглой формы или в виде цилиндрических поверхностей, коаксиальных с центральной осью датчика.

Датчик может быть дополнен оптоволокном, расположенным вблизи электролюминесцентных элементов для приема и передачи от них полихромных световых сигналов к внешнему приемнику-анализатору интенсивности свечения; электролюминесцентные элементы датчика вибраций могут быть расположены вблизи торцевого сечения оптоволокна (см. патент US 4991150 А, 05.02.1991) или вблизи и вдоль боковой цилиндрической поверхности оптоволокна, в частности, для распределенного датчика вибраций.

Датчик может быть выполнен в виде составного цилиндрического волокна, состоящего из последовательно расположенных вокруг оптоволокна и скрепленных с ним и между собой соответствующими смежными цилиндрическими продольными границами составных по окружной координате концентрических цилиндрических электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев в виде скрепленных между собой соответствующими смежными плоскими продольными границами однотипных круговых цилиндрических электролюминесцентных или пьезоэлектрических секторов, при этом смежные по цилиндрическим продольным границам пары секторов электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев образуют однотипные составные круговые цилиндрические секторы, на межфазной поверхности между оптоволокном и составным электролюминесцентным слоем расположен первый электрод в виде тонкого слоя из светопроницаемого или перфорированного электропроводного материала и на внешнюю цилиндрическую поверхность составного пьезоэлектрического слоя нанесен второй электрод в виде тонкого слоя из электропроводного материала с внешним защитным покрытием для защиты от механических повреждений.

Датчик может быть дополнен инерционным элементом, расположенным и закрепленным вблизи пьезоэлектрических элементов.

Датчик может быть дополнен одним или несколькими поверхностными электродами для собирания электрических потенциалов (электрических зарядов) с поверхности пьезоэлектрического элемента и направления интегрального потенциала на электролюминесцентный элемент для повышения чувствительности датчика.

Датчик может быть выполнен составным сетевого типа, включающим два или более однотипных заявленных датчиков. В составном датчике сетевого типа электроды однотипных заявленных датчиков могут быть соединены между собой сетевыми, в частности, линейными электродами при этом сетевые электроды могут быть покрыты и зафиксированы на диагностируемом участке поверхности конструкции полимерным защитным слоем для защиты от механических повреждений.

Оптоволокно в датчике в виде составного цилиндрического волокна и в составном датчике сетевого типа может иметь форму концентрической спирали для увеличения контролируемой площади поверхности конструкции, приходящейся на один внешний приемник-анализатор интенсивности свечения датчика.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - пьезоэлектрический элемент выполнен составным, состоящим из двух или более пьезоэлектрических элементов с различной взаимной пространственной ориентацией направлений поляризаций; направления поляризаций произвольных трех пьезоэлектрических элементов являются некомпланарными для случая наличия трех и более пьезоэлектрических элементов в датчике вибраций; число пьезоэлектрических элементов равно числу диагностируемых параметров анизотропной вибрации конструкции; электролюминесцентный элемент выполнен составным, состоящим из электролюминесцентных элементов с различными частотами светоотдач, число которых равно числу пьезоэлектрических элементов; внешний приемник-анализатор выполнен с возможностью обработки интенсивностей полихромного спектра свечений от электролюминесцентных элементов датчика вибраций; пьезоэлектрические элементы в виде однотипных круговых цилиндрических секторов и общие первый и второй электроды выполнены плоскими круглой формы или в виде цилиндрических поверхностей, коаксиальных с центральной осью датчика; датчик дополнен оптоволокном, расположенным вблизи электролюминесцентных элементов для приема и передачи от них полихромных световых сигналов к внешнему приемнику-анализатору интенсивности свечения; электролюминесцентные элементы датчика вибраций расположены вблизи торцевого сечения оптоволокна или вблизи и вдоль боковой цилиндрической поверхности оптоволокна, в частности, для распределенного датчика вибраций; датчик выполнен в виде составного цилиндрического волокна, состоящего из последовательно расположенных вокруг оптоволокна и скрепленных с ним и между собой соответствующими смежными цилиндрическими продольными границами составных по окружной координате концентрических цилиндрических электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев в виде скрепленных между собой соответствующими смежными плоскими продольными границами однотипных круговых цилиндрических электролюминесцентных или пьезоэлектрических секторов, при этом смежные по цилиндрическим продольным границам пары секторов электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев образуют однотипные составные круговые цилиндрические секторы, на межфазной поверхности между оптоволокном и составным электролюминесцентным слоем расположен первый электрод в виде тонкого слоя из светопроницаемого или перфорированного электропроводного материала и на внешнюю цилиндрическую поверхность составного пьезоэлектрического слоя нанесен второй электрод в виде тонкого слоя из электропроводного материала с внешним защитным покрытием для защиты от механических повреждений; датчик дополнен инерционным элементом, расположенным и закрепленным вблизи пьезоэлектрических элементов; датчик дополнен одним или несколькими поверхностными электродами для собирания электрических потенциалов с поверхности пьезоэлектрического элемента и направления интегрального потенциала на электролюминесцентный элемент для повышения чувствительности датчика; датчик выполнен составным сетевого типа, включающим два или более однотипных заявленных датчиков, при этом электроды однотипных заявленных датчиков соединены между собой сетевыми, в частности, линейными электродами, которые покрыты и зафиксированы на диагностируемом участке поверхности конструкции полимерным защитным слоем для защиты от механических повреждений; оптоволокно в датчике в виде составного цилиндрического волокна и в составном датчике сетевого типа имеет форму концентрической спирали для увеличения контролируемой площади поверхности конструкции, приходящейся на один внешний приемник-анализатор интенсивности свечения датчика.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить точность диагностирования характеристик анизотропии вибраций как на локальном участке, так и на протяженном участке поверхности исследуемой конструкции.

При указанном составном виде пьезоэлектрического и электролюминесцентного элементов заявленного датчика создается возможность учета векторного характера диагностируемых вибраций через вычисление искомых характеристик вибраций (в частности, векторов скоростей, ускорений, тензора деформаций) по результатам измерений и обработки интенсивностей полихромного спектра свечений от составного электролюминесцентного элемента заявляемого датчика вибраций. Благодаря этому достигается заявленный технический результат: повышение точности диагностирования характеристик анизотропии вибраций исследуемой конструкции.

Датчик вибраций иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 4 (внешний приемник-анализатор интенсивностей полихромного спектра свечений от электролюминесцентных элементов датчика вибраций не показан).

На фиг. 1 изображен «трехэлементный» (по числу «измерительных элементов» в виде пар типа «электролюминесцентный сектор/пьезоэлектрический сектор», число которых определяется числом диагностируемых независимых характеристик анизотрапии вибрации поверхности конструкции) датчик с внешним защитным слоем на диагностируемом локальном участке поверхности конструкции с чередованием по нормали к основанию (поверхности диагностируемой конструкции) пьезоэлектрических и электролюминесцентных элементов между электродами.

На фиг. 2 изображен «трехэлементный» датчик с внешним защитным слоем на диагностируемом локальном участке поверхности конструкции с чередованием по радиальной координате пьезоэлектрических и электролюминесцентных элементов между электродами.

На фиг. 3 изображен фрагмент сети из «трехэлементных» датчиков (см. фиг. 1), соединенных сетевыми линейными электродами на фрагменте поверхности конструкции (защитный слой не показан).

На фиг. 4 изображен составной трехэлементный датчик, содержащий оптоволокно, которое расположено вблизи трех электролюминесцентных элементов и предназначено для приема и передачи от них разночастотных световых сигналов к приемнику-анализатору интенсивностей спектра из трех разночастотных световых потоков.

Датчик вибраций (фиг. 1) содержит последовательно соединенные первый электрод 1, пьезоэлектрические 2 и электролюминесцентные 3 элементы, второй электрод 4. В качестве электролюминесцентного элемента 3 может быть использован электролюминофор или светодиод. Первый 1 и второй 4 электроды выполнены с возможностью подключения посредством подводящих электродов 5 (фиг. 3) к источнику питания с варьируемым электрическим напряжением U_упр для управления интенсивностью свечения электролюминесцентных элементов 3.

Второй электрод 4 (фиг. 1) может быть выполнен фотопрозрачным для улучшения интенсивности светоотдачи электролюминесцентного элемента 3 и, как следствие, повышения чувствительности датчика.

Датчик расположен и закреплен клеевой прослойкой 6 на локальном участке поверхности диагностируемой конструкции 7. На локальный участок поверхности диагностируемой конструкции 7 нанесен внешний защитный слой 8.

Клеевая прослойка 6 необходима для фиксации датчика на локальном участке поверхности диагностируемой конструкции 7 и расположена между локальным участком поверхности конструкции 7 и первым электродом 1 (фиг. 1) или торцевой поверхностью датчика (фиг. 2). Клеевая прослойка 6 также является буферным слоем, через, который транслируется на датчик со стороны диагностируемой конструкции 7, в частности, композитной структурно микронеоднородной конструкции лишь макроскопическая составляющая полей деформирования (для случая, когда характерный размер неоднородностей диагностируемой композитной конструкции соизмерим с размером датчика). В результате, буферный слой в виде клеевой прослойки 6 исключает «паразитное влияние» на результаты измерения датчика случайных пульсаций, обусловленных микронеоднородностью в окрестности участка поверхности диагностируемой конструкции 7. Защитный слой 8 и клеевая прослойка 6 могут быть конструктивно объединены и выполнены из одного упругого материала (фиг. 4).

Датчик может содержать, в частности, три (фиг. 1, фиг. 2) или шесть (фиг. 4) (это число определяется числом диагностируемых независимых характеристик анизотрапии вибрации участка поверхности конструкции 7) «измерительных элементов» из пар типа «электролюминесцентный элемент/пьезоэлектрический элемент», в частности, в виде составных измерительных секторов типа «электролюминесцентный сектор/пьезоэлектрический сектор» с различными взаимными направлениями поляризаций расположенных в них пьезоэлектрических элементов и с различными частотами, в частности, для трехэлементного датчика - красным, желтым, синим цветом светоотдач электролюминесцентных элементов 3.

Пьезоэлектрические элементы 2 имеют вид, в частности, однотипных (геометрически равных) круговых цилиндрических секторов (фиг. 1, 2, 4) и два электрода 1, 4 имеют форму круга (фиг. 1) или выполнены в виде цилиндрических поверхностей 1 и 4, коаксиальных с центральной осью датчика (фиг. 2, 4).

Пьезоэлектрические 2 и электролюминесцентные 3 элементы расположены между электродами 1 и 4 и могут чередоваться, в частности, вдоль нормали к основанию датчика (участку поверхности диагностируемой конструкции 7) для случая круговых пластинчатых управляющих электродов 1 и 4, один из которых, в частности, фотопрозрачный 4, (фиг. 1) или вдоль радиальной координаты датчика для случая коаксиальных цилиндрических управляющих электродов 1 и 4, один из которых 1 размещен на центральной оси датчика (фиг. 2).

В составном датчике сетевого типа (фиг. 3) одноименные (первые или вторые) электроды 1, 4 заявляемого датчика (в частности, трехэлементных) (фиг. 1, 2) могут быть соединены между собой сетевыми (в частности, линейными) электродами 9 для повышения точности диагностирования анизотропных вибраций на протяженных участках поверхности конструкции 7 с использованием управляющего напряжения U_упр, которое передается по сетевым электродам 9 на электроды 1, 4 датчиков, закрепленных на поверхности диагностируемой конструкции 7.

Сетевые электроды 9 покрыты и зафиксированы на диагностируемом участке поверхности конструкции 7 защитным, в частности, полимерным слоем 8 для защиты от механических повреждений (на фиг. 3 защитный слой не показан).

Подводящие электроды 5, посредством которых электроды 1, 4 подключены к источнику питания, покрыты и зафиксированы на диагностируемом участке поверхности конструкции 7 защитным, в частности, полимерным слоем 8 для защиты от механических повреждений.

Датчик может быть дополнен оптоволокном 10 (фиг. 4), который расположен вблизи электролюминесцентных элементов 3 и предназначен для приема и передачи от них световых сигналов к приемнику-анализатору для повышения чувствительности и точности измерений датчиком анизотропных вибраций.

В датчике в виде составного цилиндрического волокна или в составном датчике сетевого типа (для диагностирования протяженного участка поверхности конструкции) боковая цилиндрическая поверхность оптоволокна расположена вблизи составных электролюминесцентных элементов заявляемого датчика с возможностью проникновения излучаемых ими световых потоков во внутрь оптоволокна и передачи их по оптоволокну к приемнику-анализатору интенсивностей полихромных световых потоков. При этом геометрическая форма оптоволокна обуславливается, в частности, кривизнами, формой и характерными размерами исследуемого протяженного участка поверхности конструкции и, дополнительно, для случая составного датчика сетевого типа взаимным пространственным распределением на ней и последовательностью «соединения» оптоволокном заявляемых датчиков и, в частности, может иметь форму концентрической спирали для увеличения контролируемой площади поверхности конструкции, приходящейся на одно оптоволокно или на один внещний приемник-анализатор интенсивности свечения на выходе из оптоволокна датчика.

Датчик может быть дополнен инерционным элементом (на фигурах не показан), расположенным и закрепленным вблизи пьезоэлектрических элементов 2.

Устройство работает следующим образом.

Действие на исследуемый элемент конструкции 7 диагностируемых анизотропных вибраций в виде осевых, сдвиговых мембранных деформаций и, в частности для пластин, моментных (изгибных и крутильных) деформаций приводит к деформированию пьезоэлектрических элементов 2, в частности, геометрически одинаковых круговых секторально-цилиндрических элементов датчика (фиг. 1 - фиг. 4) и появлению в каждом пьезоэлектрическом элементе 2 соответствующего электрического поля, которое действует на соответствующий электролюминесцентный элемент 3, в частности, круговой секторально-цилиндрический (фиг. 1 - фиг. 4) электролюминесцентный элемент 3 и вызывает (при достижении электрическим напряжением некоторого порогового значения) его свечение с заданной частотой (цветом).

Каждый пьезоэлектрический элемент 2 заявляемого датчика имеет свое (отличное от других пьезоэлектрических элементов 2) фиксированное направление поляризации. Направления поляризаций пьезоэлементов 2 (фиг. 1 - фиг. 4) задаются из требования возникновения в соответствующих им электролюминесцентных элементах 3 (фиг. 2 - фиг. 6) информативных составляющих электрических напряжений и, как следствие, информативных светоотдач электролюминесцентных элементов, в результате обработки интенсивностей световых потоков которых находятся параметры диагностируемой анизотропной вибрации участка поверхности конструкции 7.

Каждый электролюминесцентный элемент 3 заявляемого датчика имеет свою (отличную от других элементов 3) фиксированную частоту (цвет) светоизлучения.

Для повышения чувствительности датчика в конструкции датчика могут располагаться дополнительные поверхностные электроды (на фигурах не показаны) для собирания индивидуальных для каждого k-го пьезоэлектрического элемента 2 интегральных электрических потенциалов (электрических зарядов) с рабочей (наиболее сильно электролизующейся при вибрации конструкции) поверхности, в частности, плоской грани (фиг. 1) или цилиндрической поверхности (фиг. 2) каждого k-го пьезоэлектрического элемента 2, и направления этого интегрального потенциала на соответствующий k-й электролюминесцентный элемент 3, тем самым усиливая информативное электрическое напряжение U_люм(k) (для каждого k-го электролюминесцентного элемента, где , n - число электролюминесцентных или пьезоэлектрических элементов в датчике) и, как следствие, интенсивность светоотдачи на каждом в отдельности электролюминесцентном элементе 3, что повышает чувствительность датчика; при этом эти дополнительные поверхностные электроды электрически не соединены ни между собой, ни с другими электродами 1, 4, 5, 9.

Варьируя (через подводящие электроды 5) величину управляющего напряжение U_упр между первым 1 и вторым 4 электродами датчика можно изменять электрическое напряжения U_люм(k) и интенсивность светоотдачи I_люм(k) электролюминесцентных элементов 3. В результате, информативные величины интенсивностей I_люм(k) () составляющих полихромного света, образованного светоотдачей всех n электролюминесцентных элементов 3, зависят от значений параметров диагностируемой анизотропной вибрации и управляющего напряжение U_упp. На основе визуального анализа или с применением внешнего приемника-анализатора интенсивностей, в частности, трехцветного спектра свечения элементов составного трехэлементного датчика (фиг. 1 - фиг. 3) или шестицветного спектра свечения элементов составного щестиэлементного датчика (фиг. 4) делается вывод о значениях параметров анизотропной вибрации и их локациях на участке поверхности диагностируемой конструкции 7.

Число измерительных элементов n датчика равно числу диагностируемых параметров анизотропной вибрации элемента конструкции 7. Информативные a_ε(k) и управляющие a_U(k) коэффициенты для каждого k-го измерительного элемента, включающего в себя k-й пьезоэлектрический 2 и электролюминесцентный 3 элементы, датчика связывают действующее электрическое напряжение на k-м электролюминесцентном элементе 3 c компонентами диагностируемой обобщенной вибрационной деформацией ε^* и с заданным варьируемым значением управляющего напряжения U_упр между первым 1 и вторым 4 электродами датчика, . Диагностируемыми параметрами анизотропной вибрации элемента конструкции 7 могут быть следующие величины: мембранные деформации , относительные углы закручиваний , сечений вокруг поперечных осей r₁, r₂ и поворотов сечений вокруг продольных осей r₂, r₁ при изгибах в плоскостях r₁r₃, r₂r₃, где относительные углы поворотов , , , , функции углов поворотов ϕ_ij сечений (боковых граней фрагмента пластины 7) с нормалями r_i вокруг r_j соответственно, i,j=1,2 (фиг. 4), осевые а₁,а₂,а₃ и угловые ε₁,ε₂,ε₃ вибрационные ускорения элемента конструкции 7 по осям r_j, .

В частности, для диагностирования вибрационных мембранных деформаций элемента конструкции 7 датчик содержит три (n=3) измерительных элемента (фиг. 1 - фиг. 3).

В частности, для диагностирования осевых и моментных изгибных и крутильных обобщенных деформаций элемента конструкции 7 в виде элемента пластины (оболочки) датчик содержит шесть (n=6) измерительных элементов, в частности, в виде круговых секторных цилиндрических элементов (фиг. 4).

В частности, для диагностирования осевых и угловых вибрационных ускорений элемента конструкции 7 в виде пластины (оболочки) составной датчик содержит шесть (n=6) измерительных элементов, в частности, в виде круговых секторных цилиндрических элементов (фиг. 4). Для исключения влияния на диагностируемые осевые и угловые вибрационные ускорения деформационных параметров элемента конструкции 7 клеевую прослойку (буферный слой) 6 необходимо делать как можно более жесткой (недеформируемой). Для повышения чувствительности и точности измерения вибрационных ускорений датчик может быть дополнен инерционным элементом, расположенным и закрепленным вблизи одного или нескольких пьезоэлектрических элементов 2. Инерционный элемент выполнен с возможностью упругого деформирования пьезоэлектрических элементов 2 под воздействием инерционных сил, действующих на элементы датчика (фиг. 1, фиг. 2) и обусловленных диагностируемыми вибрационными ускорениями элемента конструкции 7.

В частности, в качестве инерционного элемента может использоваться защитный слой 8 из материала с повышенной (относительно элементов 2, 3, 10) массовой плотностью (в частности, из материала свинец) или инерционный элемент может быть выполнен в форме шара или диска с повышенной массовой плотностью и закреплен в верхней центральной области датчика или его защитного слоя 8.

В частности, для датчика в виде составного цилиндрического волокна (фиг. 4) инерционный элемент может быть выполнен с возможностью локального воздействия и упругого деформирования пьезоэлектрических элементов 2 под воздействием инерционных сил, действующих на соответствующий локальный участок датчика на элементе конструкции 7. В частности, для датчика в виде составного цилиндрического волокна распределенный по длине инерционный элемент может быть выполнен в виде совокупности дискретных однотипных инерционных элементов (в частности, в форме шара из материала свинец) расположенных на одинаковом по длине датчика расстоянии друг от друга внутри защитного слоя 8 или однотипно закрепленных (в частности, приклеенных или приформованных), в частности, в верхней (наиболее удаленной от клеевой прослойки 6) области защитного слоя 8.

Коэффициенты a_ε, а_U находятся экспериментально или в результате численного 3D моделирования решения связанной краевой задачи электроупругости для датчика (фиг. 1, фиг. 2) или фрагмента датчика (фиг. 4) на локальном участке поверхности конструкции 7 для различных случаев ее деформирования ε^*, в частности, в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.

Подтверждение заявленного технического результата: повышение точности диагностирования характеристик анизотропии вибраций как на локальном участке, так и на протяженном участке поверхности исследуемой конструкции в виде пластины получено в результате проведенных численных экспериментов в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.

Численные экспериментальные испытания показали, что по сравнению с известным устройством, достигается повышение точности диагностирования характеристик анизотропии вибраций как на локальном участке, так и на протяженном участке поверхности.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к датчикам измерения вибрационных деформаций на поверхности конструкции, и может быть использовано для диагностики вибрационного напряженно-деформированного состояния и дефектоскопии конструкций в аэрокосмической, нефтегазовой и транспортной технике. Датчик вибраций содержит два электрода, пьезоэлектрический элемент, соединенный с первым электродом, и электролюминесцентный элемент, контактирующий с пьезоэлектрическим элементом и вторым электродом. Электролюминесцентный элемент расположен между пьезоэлектрическим элементом и вторым электродом, первый и второй электроды выполнены с возможностью управления интенсивностью свечения электролюминесцентного элемента посредством подключения с помощью подводящих электродов к источнику питания с варьируемым электрическим напряжением. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности визуальной диагностики анизотропных вибрационных деформаций. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Датчик вибраций, содержащий два электрода, между которыми последовательно расположены соединенные между собой пьезоэлектрический и электролюминесцентный элементы, при этом электроды выполнены с возможностью управления интенсивностью свечения электролюминесцентного элемента посредством подключения с помощью подводящих электродов к источнику питания с варьируемым электрическим напряжением, внешний приемник-анализатор интенсивности свечения, отличающийся тем, что пьезоэлектрический элемент выполнен составным, включающим от двух до шести пьезоэлектрических элементов с различными взаимными пространственными ориентациями направлений поляризаций, при этом направления поляризаций произвольных трех пьезоэлектрических элементов являются некомпланарными для случая наличия от трех до шести пьезоэлектрических элементов в датчике вибраций, число пьезоэлектрических элементов равно числу диагностируемых параметров анизотропной вибрации конструкции, электролюминесцентный элемент выполнен составным, состоящим из электролюминесцентных элементов с различными частотами светоотдач, число которых равно числу пьезоэлектрических элементов, внешний приемник-анализатор выполнен с возможностью обработки интенсивностей полихромного спектра свечений от электролюминесцентных элементов датчика вибраций.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в нем пьезоэлектрические элементы имеют вид однотипных круговых цилиндрических секторов и общие первый и второй электроды выполнены плоскими круглой формы или в виде цилиндрических поверхностей, коаксиальных с центральной осью датчика.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он дополнен оптоволокном, расположенным вблизи электролюминесцентных элементов для приема и передачи от них полихромных световых сигналов к внешнему приемнику-анализатору интенсивности свечения; электролюминесцентные элементы датчика вибраций расположены вблизи торцевого сечения оптоволокна или вблизи и вдоль боковой цилиндрической поверхности оптоволокна.

4. Датчик по п. 1 или 3, отличающийся тем, что он выполнен в виде составного цилиндрического волокна, состоящего из последовательно расположенных вокруг оптоволокна и скрепленных с ним и между собой соответствующими смежными цилиндрическими продольными границами составных по окружной координате концентрических цилиндрических электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев в виде скрепленных между собой соответствующими смежными плоскими продольными границами однотипных круговых цилиндрических электролюминесцентных или пьезоэлектрических секторов, при этом смежные по цилиндрическим продольным границам пары секторов электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев образуют однотипные составные круговые цилиндрические секторы, на межфазной поверхности между оптоволокном и составным электролюминесцентным слоем расположен первый электрод в виде тонкого слоя из светопроницаемого или перфорированного электропроводного материала и на внешнюю цилиндрическую поверхность составного пьезоэлектрического слоя нанесен второй электрод в виде тонкого слоя из электропроводного материала с внешним защитным покрытием для защиты от механических повреждений.

5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он дополнен инерционным элементом, расположенным и закрепленным вблизи пьезоэлектрических элементов.

6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он дополнен одним или несколькими поверхностными электродами для собирания электрических потенциалов с поверхности пьезоэлектрического элемента и направления интегрального потенциала на электролюминесцентный элемент для повышения чувствительности датчика.

7. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен составным сетевого типа, включающим два или более однотипных датчиков по п. 1.

8. Датчик по п. 7, отличающийся тем, что электроды однотипных датчиков по п. 1 соединены между собой сетевыми, в частности, линейными электродами.

9. Датчик по п. 8, отличающийся тем, что сетевые электроды покрыты и зафиксированы на диагностируемом участке поверхности конструкции полимерным защитным слоем для защиты от механических повреждений.