автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Повышение чувствительности элементов датчиков вибрации и быстропеременного давления на основе совершенствования конструкций и пьезотехнологий

□0349414Э

На правах рукописи

УДК 621.313.4+537.226.86

ГР%

ВУСЕВКЕР ВИКТОР ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ И БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ПЬЕЗОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003494149

Работа выполнена в НКТБ «Пьезоприбор» Южного Федерального университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Панин Анатолий Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Бойченко Юрий Павлович;

кандидат физико-математических наук, ст. научный сотрудник Литвин Алексей Филиппович

ОАО "Научно-производственное объединение измерительной техники" (ОАО "НПО ИТ") (г. Королев)

Защита состоится " ¿£" " о&._" 2010 года в зале заседаний советов в часов на заседании диссертационного совета ДМ 850.001.01 при Московской академии рынка труда и информационных технологий по адресу: 121351, г. Москва, ул. Молодогвардейская, д. 46 корпус 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской академии рынка труда и информационных технологий.

Автореферат разослан " йО "" С&- " 2010 года

Ученый секретарь диссертационного Совета, профессор

Чересов Ю.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

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 2212736, 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. - № 200030659; 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 РФ230142, МПК7 G 01 Р 15/09 Пьезоэлектрический акселерометр /Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Филиппов Е.В., Цеханский K.P., Войтенко В.Б.; заявитель и патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования» Ростовский государственный университет".-№2005141270/28 заявл.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 виброзащшценного пьезоэлектрического преобразователя для датчиков быстропеременного давления (патент РФ

2215275 Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панин А.Е. Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления. Опубликован 27.10.2003, бюл. №30,4с.);

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 быстропеременного 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 №43/12).

Предложенная конструкция ПП 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 ФГУП1ЩИИТМАШ (г. Москва).

Разработанные ПП 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 ЛХ-511. На основе данной разработки начат

серийный выпуск аппаратуры аварийной защиты для ракетно-космической

техники на предприятии ОАО НИИФИ (г. Пенза).

Основные положения и результаты выносимые на защиту.

1. Математическая модель, математическое моделирование и расчет конструкций многослойных монолитных ПП 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. Метод термокомпрессионной сварки, обеспечивающий необходимую жесткость и монолитность ПП, снижающий влияние механических напряжений на метрологические характеристики и расширяющий рабочий температурный диапазон;

5. Результаты исследования и разработки конструкции трехсекционного 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.

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» 2003г., г. Москва; VIII международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» 2002г., г. Москва; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2003, 2003г., г. Москва; Международной научно-практической конференции

«Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2002, 2002г., г. Москва; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2000, 2000г., г. Москва; XXI научно-технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2002г.; XXII научно-технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2003г.; XXIII научно-

технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2004г.; 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 диссертации.

Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, иллюстрируется 79 рисунками, состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 84 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и научная новизна работы, сформулирована цель и основные положения, выносимые на защиту, а также 1фатко изложено содержание диссертации.

Первая глава содержит обзор литературы. Рассмотрены современные пьезокерамические материалы, используемые при изготовлении пьезоэлектрических датчиков. Классифицированы преобразователи по их применимости. Приведены данные ПП изгибного типа, изготовленные по традиционной технологии. Проведен анализ существующих многоэлементных многослойных конструкций ПП для датчиков вибрации и быстропеременного давления и особенности технологии их изготовления. Проведен сравнительный анализ отечественных и зарубежных аналогов ПП. Определены направления исследований.

Во второй главе приводится анализ и выбор оптимальных для поставленных целей пьезокерамических материалов, из которых изготавливаются чувствительные элементы. Изменение параметров этих материалов при воздействии сильных дестабилизирующих факторов определяют технические характеристики датчика в условиях эксплуатации. Поэтому в работе подробно приводятся результаты исследований параметров широкого спектра пьезокерамических материалов при воздействии высоких и криогенных температур, одноосных механических давлений. На основании этого выработаны рекомендации по выбору пьезокерамических материалов для изготовления чувствительных элементов датчиков, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

Третья глава посвящена исследованию пьезоэлектрического преобразователя для датчика ускорения (акселерометра), где в качестве чувствительного элемента используется биморф (две пьезокерамические

пластины, изготовленные из пьезокерамического материала ЦГС-83Г [1] в виде шайб с центральным отверстием для крепления в корпусе датчика и соединенные посредством диффузионной сварки по серебру) [2].

В диссертационной работе приведен разработанный при участии автора технологический процесс изготовления многослойных монолитных преобразователей методом термокомпрессионной сварки. Метод термокомпрессионной сварки является новым и эффективным механизмом индивидуального самонагружения, что позволяет увеличить производительность и надежность работы ПП в экстремальных условиях.

Исследование влияния температуры на параметры пьезоэлектрических преобразователей проводилось в диапазоне температур от 25 до 280°С. Для сравнения в аналогичных условиях испытывались биморфные ПП традиционной конструкции, пластины которых соединены высокотемпературными клеями ДМ5-65 и К-300 с повышенной прочностью. Значения относительного изменения характеристик резонансной частоты коэффициента преобразования по напряжению Кн и коэффициента преобразования по заряду Кз клеевых преобразователей в сравнении со сварными представлены в таблице 1.

Таблица 1. Изменения характеристик биморфных пьезоэлементов относительно значений, измеренных при температуре 25±Ю°С (в %)

Тип образца Температура,0 С Относительные изменения А, %

Кн Кз

Клееный (ДМ5-65) Клееный (К-300) Сварной Пьезокерамика 100 -2,3 -2,7 +0,2 +0,2...-0,4 -4,7 -5,5 -0,1 +1,5...-2,0 +4,0 +5,1 +4,0 +2,5... 5,5

Клееный (ДМ5-65) Клееный (К-300) Сварной Пьезокерамика 175 -16,6 -9,5 -0,3 +0,2...-0,7 -11,4 -8,0 -1,8 0...5.0 +9,2 +13,5 +8,0 +6,5... 12,0

Клееный (ДМ5-65) Клееный (К-300) Сварной Пьезокерамика 250 -19,0 -1,0 +0,2...-1,7 -14,3 -7,0 -3,1...-12,0 +18,5 +14,0 +11,0...20,0

Как следует, из приведенных данных 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. При этом температурная стабильность характеристик сварных ПП зависит только от характеристик пьезокерамического материала.

Вместе с тем, в работе автором изучалось влияние вибрационных и ударных ускорений на биморфные преобразователи с деформацией изгиба, в том числе определение предельно допустимых ускорений, величины и характера изменения основных характеристик в условиях повышенных температур.

Однако, как показали исследования, проведенные в работе, двухслойный изгибный ПП имеет существенный недостаток, а именно неоптимальную чувствительность по заряду вследствие того, что обе пластины имеют близкую к нулю деформацию сжатия-растяжения. Поэтому и напряженность электрического поля в этих областях близка к нулю. Отсюда следует, что наибольшая чувствительность ПП достигается при однородной деформации в каждой из составляющих его пластин. Реально, наибольшей чувствительности можно добиться, располагая обе пластины от центральной плоскости на заданном расстоянии, заполняя зазор между ними упругим материалом. Так, в диссертации автором разработана конструкция модернизированного чувствительного элемента, который имеет три слоя[3]. При этом средний - является неполяризованным (пассивным). При разработке подобных конструкций очень важно подобрать оптимальное соотношение толщин отдельных слоев (пьезокерамических пластин), при котором характеристики преобразователя достигают максимальных значений.

Экспериментально отработаны конструкции изгибных ПП с различным соотношением толщин пассивной и активных пластин, в том числе и биморфа (без пассивного слоя) [4]. Все пластины изготавливались в виде шайб с наружным диаметром 18 мм и диаметром внутреннего отверстия 4 мм. Общая толщина преобразователей во всех вариантах составляла 1,4 мм. Результаты испытаний и электрофизические параметры, такие как статическая емкость Со, тангенс угла диэлектрических потерь резонансная и антирезонансная частота £ и ^ коэффициент электромеханической связи К, пьезоэлектрическая чувствительность по заряду Кд приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры изгибных преобразователей, имеющих разную толщину слоев.

Толщина слоев, мм Средние значения параметров преобразователей

актив- пассив- Со, 18 8 кГц кГц К Кд,

ных ного пФ пКп^

0,2 1,0 27320 0,018 86,70 91,70 0,29 24,0

0,3 0,8 18525 0,0157 87,10 91,39 0,30 25,0

0,4 0,6 15200 0,018 81,13 86,50 0,28 21,5

0,5 0,4 10200 0,018 89,80 92,5 0,27 17,0

0,65 - 10250 0,0182 82,07 85,49 0,25 14,5

Таким образом, подтверждены несомненные преимущества трехслойного преобразователя с наличием пассивного слоя перед обычным биморфом и найдено оптимальное соотношение толщины активных и пассивного слоев. В результате проведенных исследований разработана конструкция и технология изготовления трехслойного преобразователя с наличием пассивного слоя (рисунок 1).

3 I

1- дорожка из оптического клея ОС-52; 2 - коммутирующая дорожка из серебра;3 - гибкий проволочный вывод (проволока Х20Н80);4 - активные слои; 5 - пассивный слой.

Рисунок 1 - Трехслойный преобразователь

Преобразователи состоят из трех отдельных металлизированных пластин разной толщины, которые соединены в монолитный пакет термокомпрессионной сваркой. Электродом положительной полярности являются внешние торцевые поверхности преобразователя, соединенные через образующую поверхность преобразователя дорожкой серебра шириной 3,0 - 4,0 мм (коммутирующая дорожка). Электродом отрицательной полярности являются внутренние поверхности активных слоев

преобразователя, соединенные между собой гибким проволочным выводом из стальной проволоки Х20Н80, который одновременно является коммутационной шиной и обеспечивает надежный контакт с коммутационной колодкой внутри датчика.

Результаты исследования трехслойного преобразователя показали, что при увеличении толщины активного слоя до 0,5 мм (соответственно пассивного - 0,4 мм) чувствительность по заряду Кд уменьшает свое значение на 30%. При отсутствии пассивного слоя (двухслойный преобразователь) значение Кд снижается в 1,5 раза. На рисунке 2, показана зависимость виброчувствительности трехслойного преобразователя от соотношения толщин п, где п - отношение толщины пассивной пластины преобразователя к его общей толщине.

10-

0-1---1---1-•-1—"-1-•-1---1-■-1-'-1-•-1-•-1

0.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 О,В 0,9 1,0

П, ММ

Рис. 2 - Зависимость виброчувствительности от соотношения толщин п

Из таблицы 2 и рисунка 2 видно, что чувствительность по заряду Кд, зависит от толщины активного и пассивного слоев, наибольших значений она достигает при толщине активного слоя 0,3 мм и пассивного слоя 0,8 мм.

Четвертая глава посвящена исследованиям и разработке монолитных конструкций пьезоэлектрических преобразователей. Многослойные монолитные конструкции используются в датчиках вибрации [5, 6], датчиках акустических и быстропеременных давлений малых и сверхмалых уровней, защищенных от действия «паразитной» вибрации.

Пьезоэлектрические преобразователи, применяемые в современной датчиковой аппаратуре, обладают рядом существенных недостатков, обусловленных как конструктивными особенностями самих преобразователей, так и свойствами пьезокерамических материалов, из которых они изготовлены. К таким недостаткам, прежде всего, относятся:

- недостаточная стабильность коэффициента преобразования при высоких температурах;

- отсутствие высокоэффективных малогабаритных пьезоэлектрических акселерометров, обеспечивающих измерения вибрационного сигнала в трех взаимноперпендикулярных направлениях;

- отсутствие конструктивных элементов виброкомпенсации при измерении пульсации быстропеременного и акустического давления.

С помощью математического моделирования проведен расчет и обоснована конструкция многослойного монолитного чувствительного элемента (модуля) ПМ-1 (рисунок 3), изготовленного из пьезокерамического материала ЦТС-83Г и обладающего высокой стабильностью пьезоэлектрической чувствительности в температурном диапазоне от минус 196 до 300"С.

1 - верхний изолятор, 2 - слои активные, 3 - вывод проволочный «-», 4 - вывод проволочный «+», 5 - изолятор нижний

Рисунок 3 - Чувствительный модуль ПМ-1

На базе разработанной конструкции планируется создание унифицированного параметрического ряда чувствительных модулей.

Так, для изготовления чувствительных модулей, работающих в более широком диапазоне температур (от -196 до 500°С), следует использовать пьезокерамические материалы с более высокой температурой Кюри, а именно пьезокерамические материалы на основе соединений титаната висмута со слоистой перовскито-подобной структурой. Эти материалы, как правило, имеют низкие значения диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрической активности, что диктует необходимость разработки многослойных конструкций.

На базе пьезокерамического материала НТВ-1 разработаны две конструкции чувствительных модулей ПМ-1-01 и ПМ-1-02.

Результаты исследований по стабильности пьезоэлектрической чувствительности модулей ПМ-1, ПМ-1-01, ПМ-1-02 в диапазонах воздействия температур и статических нагрузок, а также сохраняемость основных электрофизических параметров в рабочих условиях эксплуатации в течении 50000 часов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Электрофизические параметры чувствительных модулей типа ПМ-1.

Техническая характеристика ПМ-1 ПМ-1-01 ПМ-1-02

Тип пьезоматериала ЦТС-83Г НТВ-1 НТВ-1

Пьезочувствительность с1зз, пКл/Н, не менее 2200 100 40

Диапазон рабочих температур, °С минус 196^-3 00 минус 196^500 минус 196-^500

Максимальная статическая нагрузка на сжатие, МПа 20 50 50

Обратимые изменения пьезочувствительности в рабочих диапазонах воздействий температуры и статической нагрузки, % 20 25 12

Электрическая ёмкость, нФ, не менее 7 0,35 0,2

Сохраняемость пьезочувствительности в рабочих условиях эксплуатации (50 тыс. часов), % 90 95 95

Проведены исследования по созданию ПП типа ПМ-2 (рис 4) для измерения вибрации в ограниченном труднодоступном пространстве в трех взаимно-перпендикулярных направлениях [7].

ПП представляет собой монолитный многослойный пакет пьезокерамических пластин, состоящий из трех секций. Первая секция включает 4 пьезоэлемента (слои 2 - 5), плоскости которых однородно покрыты электродами, попарно встречно поляризованные и соединенные параллельно. Эта секция предназначена для регистрации вибраций в осевом направлении (вдоль оси т). Вторая секция составлена из двух пьезокерамических слоев (7, 8), на которых электроды нанесены на сегментах. Центральная часть кольца вдоль не покрытой электродами щели, ориентированной в направлении оси X, остается неполяризованной, а

электродированные сегменты поляризованы взаимно противоположно; в двух слоях секции поляризация встречная. Эта секция должна регистрировать вибрации в направлении оси У. Третья секция (слои 10, 11) имеет аналогичный вид, но щель между электродами ориентирована в направлении оси У; эта секция должна регистрировать вибрации в направлении оси X. Секции разделены друг от друга слоями изоляторов (6, 9); торцы модуля также покрыты слоями изоляторов - крышками (1, 12).

Рисунок 4- Трехсекционный модуль типа ПМ-2

В таблице 4 приведены расчетные и экспериментальные характеристики ПП типа ПМ-2

Из таблицы 4 видно, что расчетные и экспериментальные значения электрофизических параметров практически совпадают.

Таблица 4 - Электрофизические параметры трехсекционных чувствительных элементов ПМ-2

№ ЧЭ Электрическая ёмкость, секций, пФ Пьезочувствительность по заряду секции, пКл/Н

с, с2 С3 м, М2 М3

1 369 214 210 78 75 75

2 363 207 200 81 77 77

3 358 213 210 80 76 75

4 360 205 206 79 76 75

5 368 207 208 82 75 76

6 367 210 209 85 77 75

7 360 205 206 79 76 75

Расчетные значения 369,5 209,8 209,8 82,7 77,9 77,9

В работе автора [9] приведены результаты исследования по созданию виброзащшценного датчика быстропеременного давления. Такие датчики должны обеспечивать с высокой точностью измерение давления малых и сверхмалых уровней при воздействии высоких значений статического давления и температуры. Основу датчика быстропеременного давления составляет компрессионный ПП в виде многослойного цилиндра[10]. В реальных условиях эксплуатации возникают паразитные вибрации различной частоты и амплитуды, то есть появляется вибросигнал, который может существенно исказить полезный сигнал. Для автоматической компенсации вибросигнала в конструкцию пьезопреобразователя добавляется компенсационный элемент, удовлетворяющий следующим требованиям: - элемент должен иметь малую чувствительность к переменному давлению;

виброчувствительность элемента должна быть близка к виброчувствительности компрессионного элемента в достаточно широком интервале частот, который перекрывает возможный спектр частот вибраций. То есть, кривые частотной зависимости вибросигналов для компрессионного и компенсационного элементов должны быть близки и параллельны друг Другу.

Компенсационным элементом, соответствующим вышеперечисленным требованиям, является симметричный трехслойный изгибный элемент, состоящий из двух одинаковых слоев пьезокерамики, разделенных

изолирующим слоем, изготовленным из неполяризованной пьезокерамики того же состава [11]. Соотношение геометрических размеров конструкции рассчитано и выбрано так, чтобы компенсировать вибросигнал компрессионного элемента в наибольшей степени и в достаточно широком диапазоне частот. Рассмотрены два вида компрессионного элемента: с 5 и 6 слоями поляризованной керамики. Кроме того, элемент ограничен сверху и снизу слоями из неполяризованной керамики того же состава. Модель пьезопреобразователя, используемая для расчетов представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 Общий вид компьютерной модели преобразователя

Коэффициенты преобразования ускорения в заряд для рабочих слов Кпр и компенсирующих Кпк можно выразить в следующем виде:

Кпр^ПрБо-сЬг, (1)

Кпр=1тк8о-а3з22 (2),

где ё33 — пьезомодуль, пКп/Н, Бо - площадь торца пьезопреобразователя, мм, п„ - количество рабочих пьезоактивных слоев,

тк - количество компенсирующих пьезоактивных слоев, Ъ\ и Ъг -координаты центров рабочей и компенсирующей зоны, р - плотность пьезоматериала, г/см3, I - конструкционный коэффициент площади электродов одного слоя и площади торца пьезопреобразователя. Коэффициент преобразования силы в заряд пьезопреобразователя имеет вид:

Кп=1(п-ш)с1з3 (3).

Емкость и сопротивление изоляции описывается формулами: С=ТеззТ/во-((п+т)/ДЬ)-80 (4),

К=АМ(п+т)80 (5),

где ДЬ - расстояние между электродами, мм, С - электрическая емкость, К - сопротивление изоляции, Ом.

Датчики быстропеременных давлений являются ключевым звеном в решении проблем измерений динамических процессов. Они должны

обеспечивать с высокой точностью измерение давления малых и сверхмалых уровней при воздействии высоких значений статического давления, уровней вибрации и температуры в широком диапазоне.

Для оптимизации эффекта компенсации вибросигнала без изменения конструкции датчика определены четыре параметра и множество их комбинаций. В настоящей работе рассмотрено влияние только одного параметра, а именно, изменение радиуса слоев компенсационного элемента -Иг- Соотношение вибросигналов в зависимости от величины К2 было рассчитано при фиксированной частоте вибраций 100 Гц. В таблице 5 приведены значения амплитуд вибросигнала у, - виброчувствительность компрессионного элемента, у2 - виброчувствительность компенсационного элемента и их отношения в зависимости от в режиме короткого замыкания (к.з.). Как видно из таблицы 5, компенсация наступает при значении радиуса изгибного элемента Я2=4.35 мм.

Следует отметить также, что с увеличением радиуса растет вибросигнал не только от компенсационного элемента, но и от компрессионного элемента также. Поэтому очень важно добиться наилучшей компенсации вибросигнала. Расчетная модель вместе с конечно-элементной сеткой показана на рисунке 6.

Рисунок 6 Конечно-элементная модель преобразователя

Таблица 5. Зависимость амплитуд вибросигналов от радиуса компенсационного элемента на частоте 100 Гц в режиме к.з. (пятислойная конструкция)

Кг,мм 3,5 4 4,2 4,3 4,35 4,4 4,5 4,6

у,, пКл^ 5,83 6,75 7,15 7,35 7,46 7,56 7,78

у2, ПКЛ/Б 1,91 4,6 6,18 7,09 7,57 8,08 9,17 10,36

Уъ 3,05 1,47 1,16 1,04 0,99 0,94 0,85 0,77

Если расположить ПП в корпусе датчика таким образом, что компенсационный элемент будет контактировать непосредственно с вибрирующей поверхностью, то в этом случае компрессионный элемент будет являться для него нагрузкой. При таком способе закрепления датчика можно ожидать, что вибросигнал компрессионного элемента слабо зависит от размеров компенсационного элемента, то есть компенсация должна быть достигнута раньше, как показано в таблице 6.

Как видно из таблицы 6, амплитуда вибросигнала компрессионного элемента действительно практически не зависит от радиуса компенсационного элемента, в результате чего компенсация достигается при значительном меньшем значении радиуса последнего 112=3.75 мм. Поскольку резонансная частота намного больше, чем в первом случае, то кривые частотной зависимости амплитуд вибросигналов, представленные на рисунке 7, практически параллельны во всем рассмотренном частотном диапазоне от О до 10 кГц. То есть, скомпенсировав вибросигнал на любой частоте диапазона, получаем компенсацию с такой же точностью и для всего диапазона частот.

Таблица 6. Зависимость амплитуд вибросигналов от радиуса компенсационного элемента на частоте 100 Гц в режиме к.з. (шестислойная конструкция)

112,ММ 3,5 3,6 3,7 3,75 3,8 3,9

VI, пКл/^ 2,6 6 2,67 2,68 2,7 2,7 2,71

у2, пКл/£ 1,66 2,05 2,48 2,79 2,98 3,54

У\/Ь 1,60 1,30 1,08 0,97 0,91 0,72

Аналогичные расчеты были проделаны для пятислойной конструкции в режиме измерений по напряжению или по холостому ходу (режим х.х.). Полная компенсация достигается при значении радиуса компенсационного элемента 13-2=4,7 мм. Все расчеты были проведены как для пяти-, так и для шестислойной конструкции элемента.

О 5 10,кГц

Рисунок 7 Частотные зависимости виброчувствительности элементов (Дг = 3.7 мм), 1 — компрессионный, 2 - компенсационный

Поскольку резонансная частота намного больше, чем в первом случае, то кривые частотной зависимости амплитуд вибросигналов, представленные на рисунке 7, практически параллельны во всем рассмотренном частотном диапазоне от 0 до 10 кГц. То есть, скомпенсировав вибросигнал на любой частоте диапазона, получаем компенсацию той же точности для всего диапазона частот.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований и выводы по работе.

В приложении приведены акты внедрения полученных результатов.

Основные результаты и выводы

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 мм;

разработать 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°С. На базе разработанной конструкции планируется создать унифицированный параметрический ряд чувствительных модулей с рабочими температурами от минус 196 до 500°С.

- создать многослойный трехсекционный преобразователь ПМ-2 из пьезокерамического материала НТВ-1 с диапазоном рабочих температур от -196 до 500°С 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.

Основные результаты исследований диссертации изложены в следующих работах:

1. Файнридер Д.Э., Вусевкер В.Ю., Полонская А.М. Проведение исследований и получение пьезокерамического материала серии ЦТС с повышенными значениями пьезоэлектрических параметров, стабильных в широком диапазоне температур //Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Международная научно-практическая конференция: Сборник трудов/Отв.ред.Панич А.Е.Ростов-на-Дону: Изд-во ООО «ЦВВР».2006. С.16-19. ISBN 5-94153-121-4.

2. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е. Экспериментальные исследования преобразователей в условиях экстремальных воздействий. Датчики и системы, № 9,2003. С. 19-21.

3. Патент России 2212736, МПК7 Н OIL 41/083, G 01Н11/08, Н 04R 17/00 Пьезоэлектрический изгибный преобразователь / Доля В.К., Вусевкер

B.Ю., Панич А.Е.; заявитель и патентообладатель Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор» Ростовского государственного университета. - № 200030659; заявл.12.11.2001; опубл.20.09.2003, Бюл. № 26,4с.

4. Доля В.К., Вусевкер В.Ю., Панич А.Е. Модернизированные чувствительные элементы в датчиках вибрации. Датчики и системы, №11, 2003.№11, С. 28-30.

5. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Дунаевский В.П. Исследование путей совершенствования пьезокерамических чувствительных элементов виброизмерительных датчиков // ПЬЕЗОТЕХНИКА-2002 Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» Тверь 17-21 сентября 2002 г.//Сборник докладов: Тверь, ТВГУ, 2002.

C.237-243.

6. Цеханский K.P., Войтенко В.Б., Вусевкер В.Ю. Многокомпонентные датчики для измерения пространственной вибрации атомного энергетического оборудования. //Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Международная научно-практическая конференция: Сборник трудов /Отв.ред.Панич А.Е.Ростов-на-Дону: Изд-во 000«ЦВВР».2006 С.78-84. ISBN 5-94153-121-4.

7. Патент России 230142, МПК7 G 01 Р 15/09 Пьезоэлектрический акселерометр /Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Филиппов Е.В., Цеханский K.P., Войтенко В.Б.; заявитель и патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования» Ростовский государственный университет".- №2005141270/28 заявл.28.12.2005; опубл. 20.06 2007. Зс

8. Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панич А.Е. Многофункциональный датчик давления, вибрации, температуры// Материалы VIII международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики сплошных сред»,- М.: 2002.С.106

9. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е. Исследование по созданию виброзащищенных датчиков быстропеременного давления// Материалы IX международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики сплошных сред».-М.: 2003. С.190-201.

10. Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панич А.Е. Высокотемпературные пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений малых и сверхмалых уровней // ПЬЕЗОТЕХНИКА-2000 Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения»

27 ноября - 1 декабря 2000г., Москва/ МИРЭА.-М: 2000. С. 277-281. 11. Вусевкер В.Ю., Панин А.Е. Исследования по созданию чувствительных элементов для пьезоэлектрических датчиков динамических процессов // Сборник научных докладов юбилейной научно-технической конференции «Проблемы прикладной гидроакустики», г. Таганрог, 2004. С.84.

13. Патент России 2251176 Панич А.Е., Вусевкер В.Ю. Твердотельный электромеханический преобразователь. Опубликовано 27.04.2005, Зс.

14. Патент России 2215275 Бутов В .И, Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панич А.Е. Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления. Опубликован 27.10.2003, бюл. №30,4с.

15. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Курбанов М.А. Исследование путей создания эффективных композиционных структур на основе полимерных материалов // Научная мысль Кавказа, приложение спецвыпуск, г. Ростов-на-Дону, 2002г., С. 147.

16. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е. Пьезоактивные монокристаллы для высокотемпературных датчиков // Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2003, г. Москва, С. 121.

17. Вусевкер В.Ю., Войтенко В.Б. Чувствительные элементы многокомпонентных датчиков для измерения пространственной вибрации // В сборнике трудов VI международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», г. Анапа, 2008г., С.96.

18. Вусевкер Ю.А., Панич А.Е., Левицкий Е.Г., Вусевкер В.Ю., Файнридер Д.Э. Пьезоэлектрический керамический материал // Патент России №2185351 от 27.06.2000г. бюл. №20 С.4.

19. Панич А.Е., Ладакин Г.К., Вусевкер В.Ю. Исследование по созданию чувствительных элементов сдвигового типа для датчиков вибрации // В сборнике трудов VI международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», г. Анапа, 2008г., С.102.

Разрешено в печать 17.декабря .2009 г. Заказ 1869/4

Тираж 60 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ, ДАТЧИКОВ УСКОРЕНИЯ, ВИБРАЦИИ, БЫСТРОПЕРЕМЕННЫХ ДАВЛЕНИЙ.

1.1 Назначение, принцип действия и основные характеристики пьезоэлектрических датчиков.

1.2 Конструктивные особенности пьезоэлектрических датчиков.

1.3 Конструкции преобразователей.

1.4 Пьезокерамические материалы.

1.5 Выводы, постановка цели и задач исследований.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

2.1 Пьезокерамические материалы на основе твердых растворов титаната-цирконата свинца (ЦТС) ЦТС-83Г и ПКП-1ст.

2.2 Высокотемпературные пьезокерамические материалы на основе титаната висмута со слоистой перовскитоподобной структурой.

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 2212736, 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. - № 200030659; 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 РФ230142, 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".- №2005141270/28 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 2215275

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» 2003г., г. Москва; VIII международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» 2002г., г. Москва; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2003,2003г., г. Москва; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2002, 2002г., г. Москва; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2000, 2000г., г. Москва; XXI научно-технической конференции молодых специалистов

Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2002г.; XXII научно-технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2003г.; XXIII научно-технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2004г.; 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 двух- и 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 мм; разработать 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°С. На базе разработанной конструкции планируется создать унифицированный параметрический ряд чувствительных модулей с рабочими температурами от минус 196 до 500°С.

- создать многослойный трехсекционный преобразователь ПМ-2 из пьезокерамического материала НТВ-1 с диапазоном рабочих температур от -196 до 500°С 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.

1. Langevin P. Précédé et appareil d'émission et de reception des ondes élastiques sousmarin e'aide des propriétés piesoelectiques du quartz .Fr. pat., 1918, No 505703.

2. Mason W.P. Barium-titanate ceramic as an electromechanica ltransducer // Phys. Rev. 1948. 74. No. 9. P.l 134; Bell labor.Rec.1949. No. 27. P.285-289.

3. Ананьева A.A., Царев B.M. Разработка ненаправленного звукоприемника для ультразвуковых частот. Отчет Акустической лаборатории ФИАН 1951.

4. Вул Б.М., Гольдман И.М. Диэлектрическая проницаемость титаната бария в зависимости от напряжения в переменном поле.// ДАН СССР, 1945, 49. №3. С. 179-182.

5. Вул Б.М., Гольдман И.М. Диэлектрическая проницаемость титанатов металлов 2-ой группы // ДАН СССР. 1945. 46. № 4. С. 154-157.

6. Глозман И.А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972. 288 с.

7. Джагупов Р.Г., Ерофеева А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, системы контроля и управления: Справочник. СПб.: Политехника .1994. 608 с.

8. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики // Мир электроники / Под ред. В.М.Шарапова.- М.: Техносфера, 2006.-632 с. ISBN 5-94836-100-4.

9. Martini K.R. New range of high temperature courts pressure transducers.-«Kistler Instrumene AG.» Transducers 77 conferenc pressure measurement.1977. 20 p.

10. Пьезоэлектрические приборы для измерения давлений, усилий, ускорений. Проспект фирмы «Kistler Instrumene AG.» 1999. 12 с.

11. Каталог изданий ОАО «Аврора», Волгоград, 1990.

12. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезокерамические преобразователи физических величин / Под ред. В.М.Шарапова. Черкассы: ЧГТУ, 2005,. 631 с.

13. ЭЛПА. Изделия акустоэлектроники и пьезокерамики /под ред. Б.Г.Парфенова, М.: РИА «Деловой мир», 1992. 167 с.

14. Ляв А. Математическая теория упругости. М.: ОНТИ, 1935.

15. Йориш Ю.А. Виброметрия. М.: Гос. Научно-тех. изд-во машиностроительной литературы, 1963. С 563-569.

16. Гуль В.Е., Царский Л.Н. и др. Электропроводящие полимерные материалы. М.: Химия, 1968.

17. Гринченко В.Г., Улитко А.Ф., Шульга H.A. Механика связанных полей в элементах конструкции. Киев: Наукова думка, 1985, т.5: Электроупругость. С.36-38, 102-116.

18. Гуль В.Е. Шенфиль Л.З. Электропроводящие композиции. М.: Химия, 1984.

19. Баженов В.М. и др. Разработка и исследование пьезокварцевых датчиков для определения концентрации паров спиртов и ароматических углеводородов в газах //Автоматизация химических производств. М.: НИИ ТЭ ХИМ, 1983. Вып.1 С 37-41.

20. A.c. 935221 Способ создания неразъемного соединения / Котельников Д.И и др. (СССР). Опубл. 1982. Бюл. № 22.

21. A.c. 1308597 Способ изготовления пьезокерамики / Котельников Д.И и др. (СССР). Опубл. 1987. Бюл. № 17.

22. A.c. 893424 Способ пайки или сварки / Котельников Д.И.и др. (СССР). Опубл. 1981. Бюл. № 48.

23. Йориш Ю.И. Виброметрия . М.: Машиздат. 1961.

24. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. Дания, 1987.

25. Шарапов В.М., Минаев И.Г., Бондаренко Ю.Ю. и др. Пьезоэлектрические преобразователи (Справочное пособие) / Под ред. В.М.Шарапова.- Черкассы: ЧГТУ, 2004. 435 с.

26. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезокерамические преобразователи физических величин / Под ред. В.М.Шарапова. -Черкассы: ЧГТУ, 2005. 631 с."I

27. A.c. 361723, МКИ GO 1 Р15/08 Пьезоэлектрический акселерометр / Крамаров О.П. и др. (СССР). Опубл. 1975.29 .с 472587 , МКИ G01 Р15/08 Пьезоэлектрический акселерометр / Янчич В.В., Крамаров О.П. (СССР). Опубл. 1976.

28. Пат. 45703 Украина, MTIKG01P15/08 Пьезоэлектрический акселерометр /Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ C.B., Саенко Н.В.и др. Опубл.15.04.2002. Бюл. № 4 .

29. Пат. 45702 Украина, МПК G01 PI5/09 Пьезоэлектрический акселерометр /Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Саенко Н.В и др. -Опубл. 15.04.2002. Бюл. № 4 .

30. Пат. 46274 Украина, МПК G01 PI5/09 Пьезоэлектрический акселерометр/ Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ C.B., и др. -Опубл.15.05.2003. Бюл. № 5 .

31. Пат. 46298 Украина, МПК G01 PI5/09 Пьезоэлектрический акселерометр/ Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ C.B., и др. -Опубл.15.05.2002. Бюл. № 5 .

32. Shirane G., Suzuki К.//Phys.SocJapan. 1952. 7. № 3. Р.ЗЗЗ.

33. Дону, Азов 23-26 августа 2005 г.: Сборник трудов.- г.Ростов н/Д: Изд-во Ростовского государственного педагогического университета, 2005.С. 160 163. ISBN 5-8480-0449-8.

34. Жаффе Г., Берлинкур Д.А. // ТИИЭР. 1965. 3. №10. С. 1552-1556.

35. ОСТ 11 0444-87. МАТЕРИАЛЫ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ. Технические условия//Отраслевой стандарт.-Введ. 1988-01-01. 141с.

36. Electronic components catalog 1974-5m Matsushita Electric Industrial Co., LTD.- Kadoma Osaka, Japan, 1975.

37. Хаякава С. Электронно-техническая керамика: Симпозиум по электротехнической и электронной технике при выставке электронной техники.- М.:1975.

38. Ouchi H., Nichida M., Hajakawa H National Tecnikal Report.-1966. 2. No. 4.P.251.

39. Данцигер А.Я., Разумовская O.H., Резниченко Л.A., Гринева Л.Д., Девликанова Р.У., Дудкина С.И., Гавриляченко C.B., Дергунова Н.В., Клевцов А.Н. Высокоэффективные пьезокерамические материалы: Справочник. Ростов н/Д: Изд-во АО «Книга». 1994. 31с.

40. Каталог фирмы «EndevKO». 1999.

41. Кузьминов Ю.С. Ниобат и танталат лития материалы для нелинейной оптики //монография / Под ред. В.В.Осико. - М.: Изд-во «Наука» Главная редакция физико-математической литературы. 1975. 223с.

42. Смоленский Г.А., Боков В.А., Исупов В.А., Крайник H.H.,Пасынков P.E., Шур М.С Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. /Отв.ред.Г.А.Смоленский; Акад.наук СССР Институт полупроводников. Л.: Изд-во «Наука», Ленингр.отд. 1971. 475с.

43. А.С.905220 МКИ С 04В 35/00 Пьезоэлектрический керамический материал /Джения Л.В. Файнридер Д.Э., Морданов Б.П., Вусевкер Ю.А. (СССР). № 2921978/29-33; заявл.05.05.80; опубл. 15.02,6 с.

44. Г.Кайно Акустические волны, устройства визуализации и аналоговая обработка сигналов. М.: Изд-во «Мир», 1990, Приложение Б.

45. Михайлов П.Г., Забродина С.Д., Бутов В.И., Кузин В.Н. Пьезодатчики для измерения акустических и быстропеременных давлений//Измерительная техника. 1994. № 6. С. 11-12.

46. Панич А.Е., Вусевкер Ю.А., Филиппов Е.В., Пашков C.B., Степанович Д.С Исследование электрофизических параметровпьезоэлементов из материалов ПКЛ-1, ПКЛ-2, ПКЛ-3 //Международная научно-практическая конференция

47. Дышко A.A., Панич А.Е. Многослойные, монолитные пьезокерамические преобразователи для сигнализаторов уровня жидких сред.//Датчики и Системы, № 9, 2003. С.17-18.

48. A.c. 497267, МКИ3 С04В 35/00 Керамический материал /Вусевкер Ю.А.,.Епремян Л.Г Крамаров О.П., Гурвич Ю.В., Морданов Б.П., Файнридер Д.Э.(СССР)- № 1988531/29-33 заявл 18.01.74; опубл.30.12.75, Бюл. № 48. 4 с.

49. A.c. 734116 МКИ3 С04В 35/00 Пьезоэлектрический керамический материал / ВусевкерЮ.А.,Ривкин В.И., Крамаров О.П., Файнридер Д.Э.(СССР).-№ 2546106/29-33 заявл 21.11.77; опубл. 15.05.80, Бюл. № 8. 4 с.

50. Пат. 2139840 Российская Федерация, МПК7 С 04В 35/00 Пьезоэлектрический керамический материал /.Вусевкер Ю.А,

51. Файнридер Д.Э, Панин А.Е., Гориш A.B., Злотников В.А.; заявительи патентообладатель Научное конструкторско-технологическоебюро «Пьезоприбор» Ростовского государственного университета.98102096; заявл.26.01.98; опубл.20.10.99, Бюл. № 29, 4с.

52. A.c.975672 МПК3 С04В 35/00 Пьезокерамический материал /.Крамаров О.П.,.Вусевкер Ю.А., Ю.А,.Джения JI.B., Морданов Б.П., Сокалло А.И. (СССР). №3286871/29-33; заявл. 04.05.81; опубл.28.12.84, Бюл.№12, 4с.

53. Донсков В.И., Янчич В.В., Лимарев А.И., Козлов В.В. Акселерометры для измерения вибрации при высоких температурах//Вибрационная техника. М.: ДНТП, 1978. С.146-161.

54. Цеханский K.P., Васильева Р.И. Датчики контроля динамических параметров современных энергетических установок // Виброметрия. М.: ДНТП, 1983. С.7-9.

55. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации //Пьезоэлектрическое приборостроение том III / Под. ред. Панича А.Е. Ростов-на Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006. С 335. ISBN 5-87872-351-4.

56. Гориш A.B., Богуш М.В., Злобин А.И., Горбунов С.М. Пьезоэлектрические преобразователи с элементами компенсации вибрационной чувствительности //Экология, мониторинг и рациональное природоиспользование: Научн. тр. Вып.88(11).- М.: РКА, МГУЛ. 1997.

57. Гориш A.B., Вусевкер Ю.А., Шевченко Л.А., Старостин В.Н. Пьезоэлектрические датчики вибрации //Экология, мониторинг и рациональное природоиспользование: Научн. тр. Вып.88(11).-М.: РКА, МГУЛ. 1997.

58. Вусевкер В.Ю. Панич А.Е. Исследование пьезоэлектрических датчиков ускорения при экстремальных воздействиях //Датчики и Системы №9, 2003.С. 19-21.

59. Вусевкер В.Ю., Доля В.К., Панич А.Е. Модернизированные пьезочувствительные элементы в датчиках вибрации //Датчики и Системы», № 11, 2003. С.28-30.

60. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов.- М.: Мир, 1977.349с

61. Богуш М.В. Исследование неоднородных чувствительных элементов для пьезоэлектрических датчиков давлений, усилий, ускорений: дисс. канд. техн. наук, 1987.

62. Zienkiewics О.С. The finite element method from intuition to generality// Appl. Mech. Rev., 23, 1970. P. 249-256.

63. ATILA. Finite element for piezoelectric and magnetostrictive transduser and actuator modeling. V.5.1.1. Users manual// Lille cedex (France): ISEN, 1997.

64. Allik H., Hughes T.J. Finite element method for piezoelectric vibtation// Int. J. Number Meth. Eng. 1970, V.2, N 2, P. 151-157.

65. ANS YS Theory Ref. Reí. 5.4 Ed. P. Kothnke/ ANS YS INC. Houston, 1997.

66. Пат. 2301424 Российская Федерация МПК7 G 01 Р 15/09

67. Пат.2150117 Российская Федерация МПК7 G 01 Р 15/09

68. Пьезоэлектрический акселерометр/ Вусевкер Ю.А., Гориш A.B.,

69. Дунаевский В.П. Панин А.Е.; заявитель и патентообладатель Научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор» Ростовского государственного университета. № 98122377; заявл.08.12.98; опубл.27.05.2000, Бюл. № 15, 4с.

70. Средства пьезоэлектрического приборостроения. Каталог-90. Ростов-на-Дону. ОКТБ «Пьезоприбор», РГУ, 1990, стр. 115.

71. Датчики и преобразующая аппаратура. Каталог НИИ Физических измерений, Пенза, 2001г.

72. Проектирование датчиков для измерения механических величин/ под ред. Осадчего Е.П., М.: Машиностроение, 1979.

73. Проспект фирмы «Виброметр», Швейцария, 2004.

74. Вусевкер В.Ю., Панич А.Е. Исследование по созданию виброзащищенных датчиков быстропеременного давления

75. Материалы IX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» М.: 2003, С.190-201.