Пьезопленочный датчик многократного применения для измерения динамических деформаций

Пьезопленочный датчик многократного применения для измерения динамических деформаций

Реферат

 

Изобретение относится к средствам измерения динамической деформации, измеряющим динамическое деформируемое состояние инженерных конструкций. Принцип действия датчика основан на прямом пьезоэффекте. Корпус датчика выполнен из материала типа пластмассы с малым продольным модулем упругости. Материалы и размеры корпуса и клея выбраны такими, чтобы жесткость клеевого слоя была бы значительно больше жесткости подложки-основания корпуса датчика. Подложка-основание имеет обращенное внутрь корпуса ребро, ориентированное нормально к опорной поверхности подложки-основания и имеющее постоянную толщину. На вертикальной плоскости ребра клеевым способом нанесен пьезоэлемент с электродами. Датчик имеет стандартный микроразъем для соединения с предварительным усилителем, совместим с традиционной виброизмерительной аппаратурой и может измерять очень малые величины динамических деформаций от 10^-6 мкм/м. Датчик может быть использован многократно со стабильностью амплитудно-частотной характеристики в пределах 3-9% и фазовой частотной характеристики в пределах 0,1-0,3 градуса. Датчик прикреплен к объекту измерения с помощью клея. Технический результат - повышение точности измерений и уменьшение поперечной чувствительности и чувствительности к звуковому давлению и электромагнитным полям. 2 ил.

Изобретение относится к средствам измерения динамической деформации, а именно к датчикам динамической деформации, измеряющим динамическое деформируемое состояние инженерных конструкций.

Датчик может быть использован при измерении моментов и динамических сил, потоков колебательной мощности в трубопроводах, валопроводах, деталях машин и других инженерных конструкциях, а также может использоваться для диагностики технического состояния машин, механизмов и инженерных конструкций.

В качестве чувствительного элемента датчика используется пьезоэлемент, изготовленный из пьезополимерной пленки на основе поливинилиденфторида (ПВДФ).

Традиционно в качестве датчиков деформации, как правило, используются проволочные тензодатчики резистивного типа. Однако при измерении деформации в широком частотном и динамическом диапазонах возникает ряд трудностей, связанных с их малой чувствительностью и необходимостью использования громоздких мостовых схем.

Использование в этой области пьезопленочных датчиков для измерения динамической деформации многократного применения открывает принципиально новые возможности в плане расширения динамического диапазона измеряемых деформаций, повышения достоверности измерения, вибродиагностики технического состояния машин и конструкций, измерения потоков колебательной энергии в широком диапазоне частот.

По сравнению с традиционными тензодатчиками новые датчики имеют ряд особенностей: - нечувствительность к статическим деформациям, - способность регистрировать очень малые величины деформаций от 10^-6 мкм/м, что делает их незаменимыми в области структурной интенсиметрии и диагностике технического состояния механизмов и конструкций, - совместимость с традиционной электронной техникой, применяемой в практике виброакустических измерений.

Наиболее близкими техническими решениями (прототипом и аналогом) предлагаемого датчика являются устройства одноразового применения. Конструкция прототипа описана в отчете Акустического Института им. акад. Н.Н. Андреева "Разработка датчиков относительной динамической деформации на основе пьезополимерных пленок". УДК 534.232.73: 536.6. N Х 27584 (фиг. 1). Устройство включает в себя подложку 1 из полихлорвиниловой ленты, на которую приклеивается двухслойный пьезоэлемент из пьезопленки 2. Подложка 1 приклеивается к объекту измерений 3.

Конструкция аналога датчика описана в статье Р. Пиннингтона и С. Ли "Измерение потоков энергии в балках с помощью пьезопленок" материалы конференции "Интер-Нойс" 1996 г. Устройство, включает в себя пьезопленку с нанесенными на нее электродами. Пленка с электродами приклеивается к объекту измерения с помощью клея.

Общим недостатком упомянутых двух устройств является то, что они не оформлены в виде конструкции-изделия, механически жесткий кабель непосредственно связан с пьезопленкой, поэтому они ненадежны и могут использоваться только в исключительно благоприятных условиях, например лабораторных.

Недостатком прототипа является его повышенная чувствительность к звуковому давлению и электромагнитным полям. Он является устройством одноразового применения, которое не может быть предварительно прокалибровано, что не позволяет при измерении учитывать его амплитудно- частотные и фазовые частотные характеристики для повышения точности измерений. Кроме этого, прототип обладает высокой поперечной чувствительностью.

Недостатком аналога является его повышенная чувствительность к звуковому давлению и электромагнитным полям. Он является устройством одноразового применения, которое не может быть предварительно прокалибровано, что не позволяет учитывать его амплитудно-частотные и фазовые частотные характеристики для повышения точности измерений.

Целью предлагаемого изобретения является создание конструктивно оформленного, надежного в эксплуатации датчика, удовлетворяющего всем требованиям эксплуатации изделия и его многоразового использования со стабильностью амплитудно-частотных и фазовых частотных характеристик, обеспечивающего возможность калибровать и использовать данные калибровки для повышения точности измерений, а также уменьшение поперечной чувствительности и чувствительности к звуковому давлению и электромагнитным полям.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 2), где представлена принципиальная схема заявляемого датчика.

Указанная цель достигается тем, что чувствительный элемент 1, представляющий собой пакет пьезопленки (фиг.2), располагается на ребре жесткости 2, которое перпендикулярно плоскости подложки-основания 3 датчика. При этом чувствительный элемент 1 воспринимает деформацию только в продольном направлении X и не воспринимает ее в поперечном направлении Y (фиг. 2). Материалы подложки-основания 3 и клеевого соединения датчика с изделием выбраны так, чтобы продольная жесткость подложки-основания была бы значительно меньше сдвиговой жесткости клеевого слоя, что обеспечивает практически полную передачу деформации от объекта измерений 4 к чувствительному элементу 1 без искажения по амплитуде и фазе при изменении толщины клея при многократной переклейке, то есть при многократном использовании. Это может быть пояснено формулой (1) где _q- относительная деформация датчика; - относительная деформация исследуемого изделия; E_q - комплексный модуль продольной деформации вдоль оси X подложки-основания датчика; G_k - комплексный модуль сдвига клеевого слоя; h_q - толщина подложки-основания датчика; h_k - толщина клея; L_q - длина основания датчика.

При этом соотношение сдвиговой жесткости клеевого соединения и продольной жесткости подложки-основания, а также геометрические размеры датчика и клеевого слоя должны удовлетворять условию (2) для обеспечения многоразового применения Для обеспечения защиты чувствительного элемента 1 от воздействия звукового давления и электромагнитных помех применена специальная крышка-кожух 5 арочного типа с внутренним металлическим покрытием.

Для обеспечения защиты пьезопленки от механических повреждений между разъемом датчика 6, расположенным на крышке, и чувствительным элементом 1 введен гибкий электрический контакт 7, механически развязывающий пленку от разъема и измерительного кабеля между датчиком и измерительной аппаратурой. Кроме этого, для обеспечения того же эффекта кабель может быть жестко присоединен к корпусу датчика с применением указанного развязывающего гибкого электрического контакта 7. Результаты измерений опытного образца указанного датчика на калибровочной установке УКПТД-01, метрологически аттестованной во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (номер свидетельства 874) показали, что по сравнению с прототипом и аналогом поперечная чувствительность может быть уменьшена более чем в 3-10 раз, а чувствительность к звуковому давлению и электромагнитным помехам в 10 раз. Надежность датчика проверена 20-кратной переклейкой. Изменение амплитудно-частотной характеристики не превышало 9% и фазовой частотной характеристики 0,2 град в диапазоне частот 5-800 Гц.

Формула изобретения

Пьезопленочный датчик для измерения динамических деформаций многократного применения, имеющий корпус с плоской поверхностью крепления и пьезополимерную пленку в качестве электромеханического преобразователя, отличающийся тем, что для обеспечения постоянства амплитудно-частотных и фазовых частотных характеристик датчика при его многократном использовании корпус датчика крепится к исследуемому изделию клеевым способом и выполнен из материала типа пластмассы с малым продольным модулем упругости, при этом материалы и размеры корпуса и клея выбраны такими, чтобы жесткость клеевого слоя была бы значительно больше жесткости подложки-основания корпуса датчика, для исключения поперечной чувствительности подложка-основание корпуса имеет обращенное внутрь корпуса датчика ребро, ориентированное нормально к опорной поверхности подложки-основания и имеющее постоянную толщину, на вертикальной плоскости ребра клеевым способом нанесен пьезопленочный элемент с электродами, для обеспечения помехозащищенности датчика от электромагнитных полей, внешних шумов, пыли и влаги корпус выполнен герметичным и на боковые и внутренние поверхности корпуса нанесена помехозащищающая фольга, а для обеспечения надежности в работе и защиты пьезопленки от механических повреждений между разъемом датчика, расположенным на крышке, и чувствительным элементом введен гибкий электрический контакт, развязывающий механически пленку от разъема при присоединении измерительного кабеля между датчиком и измерительной аппаратурой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2