Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор и постановка задачи 10
1.1. Существующие пьезоэлектрические преобразователи переменного давления, методы их описания и расчета 10
1.2. Описание процесса функционирования пьезоэлектрических преобразователей переменного давления и основные зависимости между их напряженно-деформированным состоянием и выходным сигналом 18
1.3. Понятие деформационной восприимчивости пьезоэлектрических преобразователей переменного давления.. 23
1.4. Возможность квазистатической постановки задачи 25
1.5. Постановка задачи и определение необходимых при численном моделировании деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления граничных и начальных условий 28
1.6. Применение метода конечных элементов для численного моделирования деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления 31
1.7. Выводы главы 1 33
Глава 2 Теоретическое и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния объекта установки и определение граничных условий для преобразователей переменного давления 34
2.1. Описание объекта установки на примере ударной трубы УУТ-
4 рабочего эталона импульсного давления 34
2.2. Постановка задачи, определение граничных и начальных условий при теоретическом исследовании напряженно-деформированного состояния объекта установки 38
2.3. Определение напряженно-деформированного состояния объекта установки расчетным путем 42
2.4. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния объекта установки 47
2.5. Выводы главы 2 53
Глава 3 Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния преобразователей переменного давления 54
3.1. Постановка задачи и определение требований к экспериментальной установке для исследования напряженно- деформированного состояния преобразователей переменного давления, вызванного деформацией объекта установки 54
3.2. Разработка метода исследования и создание установки для его реализации 57
3.3. Влияние способа установки преобразователя переменного давления на восприимчивость к воздействиям деформаций объекта 66
3.4. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния преобразователей переменного давления различных конструкций 73
3.5. Выводы главы 3 77
Глава 4 Построение численной модели деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления 78
4.1. Совокупность уравнений, описывающих деформационную восприимчивость преобразователей переменного давления и особенности формы представления характеристик материалов 78
4.2. Алгоритм вычисления деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления 82
4.3. Оценка точности и достоверности численной модели 85
4.4. Выводы главы 4 91
Глава 5 Численное моделирование деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления и исследование зависимости их метрологических характеристик от конструктивных параметров 92
5.1. Исследование влияния жесткостных характеристик корпусов преобразователей переменного давления на их деформационную восприимчивость 92
5.2. Исследование влияния параметров корпусов преобразователей переменного давления на их амплитудно-частотные характеристики 102
5.3. Исследование взаимосвязи амплитудно-частотных характеристик и деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления 106
5.4. Выводы главы 5 113
Глава 6 Разработка преобразователей переменного давления с улучшенными характеристиками 114
6.1. Разработка преобразователей переменного давления с «составной опорой» 114
6.2. Разработка преобразователей переменного давления с «рассеченной» опорой 117
6.3. Разработка преобразователей переменного давления волноводного типа 119
6.4. Выводы главы 6 130
7. Заключение 131
8. Список использованной литературы 133
- Описание процесса функционирования пьезоэлектрических преобразователей переменного давления и основные зависимости между их напряженно-деформированным состоянием и выходным сигналом
- Постановка задачи, определение граничных и начальных условий при теоретическом исследовании напряженно-деформированного состояния объекта установки
- Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния преобразователей переменного давления различных конструкций
- Алгоритм вычисления деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления
Введение к работе
В современных условиях широко применяются пьезоэлектрические преобразователи переменных давлений (ППД). Предлагаемая работа посвящена рассмотрению взаимодействия ППД с объектом, на котором он установлен, в дальнейшем называемым объектом установки (ОУ). При функционировании ОУ, имеющееся в нем переменное давление (жидкости или газа) вызывает напряженно-деформированное состояние (НДС). Поскольку корпус ППД жестко связан с ОУ, то НДС ОУ вызывают деформации корпуса ППД, что приводит к деформациям его чувствительного элемента (ЧЭ) и искшкению результата измерений. Эти искажения определяют восприимчивость ППД к воздействию деформаций ОУ или, иными словами, деформационную восприимчивость ППД.
Поведение ППД, ОУ описывается уравнениями теории упругости и определяется начальными и граничными условиями. Очевидно, что при исследовании деформационной восприимчивости необходимо не только раздельное рассмотрение поведения ОУ и ППД как твердых тел, но и рассмотрение поведения их совокупности, всей системы ОУ-ППД.
В предыдущие годы деформационной восприимчивости ППД достаточного внимания не уделялось, несмотря на имеющиеся работы по исследованию деформационной восприимчивости виброизмерительных пьезоэлектрических преобразователей. Это было обусловлено, с одной стороны, большей сложностью описания процессов поведения системы ОУ-ППД по сравнению с описанием виброизмерительных преобразователей и, с другой стороны, отсутствием эффективных численных методов решения задач теории упругости для тел достаточно сложной конфигурации.
В настоящее время в связи с развитием численных методов и средств вычислительной техники появилась возможность получать достаточно точные решения задач теории упругости, которые ранее не рассматривались ввиду их -it сложности. Это позволяет исследовать и учесть факторы, которым ранее не уделялось достаточно внимания, в частности, влияние деформаций ОУ на ППД. Актуальность работы определяется также тем, что исследование и снижение деформационной восприимчивости ППД является одним из путей дальнейшего улучшения ППД, в то время как общепринятые методы совершенствования практически исчерпаны.
Целью работы является исследование деформационной восприимчивости " ППД, построение ее численной модели, выявление зависимости деформационной восприимчивости ППД от их конструктивных параметров, снижение деформационной восприимчивости ППД и создание более совершенных ППД с повышенной точностью измерений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - разработать критерии, характеризующие деформационную , восприимчивость ППД; - обосновать возможность квазистатической постановки задач теории упругости применительно к системе ОУ-ППД; разработать численную модель деформационной восприимчивости ППД, позволяющую на основании данных о конструкции всех элементов, а также их механических и пьезоэлектрических характеристик расчетным путем определить деформационную восприимчивость ППД на этапе его проектировния; ^* - разработать метод экспериментального определения деформационной восприимчивости ППД и установку для его реализации; экспериментально и теоретически исследовать деформации в ОУ; экспериментально и теоретически исследовать деформационную восприимчивость ППД; исследовать взаимосвязь деформационной восприимчивости и частотных характеристик ППД; $+ - разработать конструкцию ППД с улучшенными характеристиками.
Решение перечисленных задач основано на методах теории упругости, «ii- методе конечных элементов, методах измерений малых деформаций, быстроменяющихся давлений и методах статистической обработки результатов измерений.
Научная новизна состоит в том, что подтверждено существование деформационной восприимчивости, разработана численная модель деформационной восприимчивости ППД с использованием метода конечных элементов, позволяющая на основании конструкции всех элементов, а также их ^ механических и пьезоэлектрических характеристик расчетным путем определить деформационную восприимчивость ППД. Разработаны метод и установка для экспериментального определения деформационной восприимчивости ППД, экспериментально и теоретически исследованы деформации в ОУ, показана возможность квазистатической постановки задачи о деформационной восприимчивости ППД. Показано, что существуют конструктивные параметры, при которых деформационная чувствительность равна нулю. Исследована ^ взаимосвязь деформационной восприимчивости и частотных характеристик ППД, показана невозможность их одновременного улучшения для существующих конструкций. Предложено несколько путей снижения деформационной восприимчивости ППД.
Практическая ценность заключается в создании численной модели деформационной восприимчивости ППД, позволяющей учитывать эту ,-. восприимчивость на стадии проектирования и создавать ППД с улучшенными характеристиками, в разработке метода и установки для экспериментального определения деформационной восприимчивости и в создании ряда новых конструкций ППД.
Метод и установка для экспериментального определения деформационной восприимчивости ППД внедрены на предприятиях п/я А—1891 г. Пенза, метод, установка и ППД улучшенной конструкции - в УФ ЦНИИМВ г. Пермь.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: доклад на Всесоюзной конференции по метрологическому обеспечению машиностроительных областей, 1988 г.; доклад на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы образования, научно-технического развития и экономики Уральского региона» г. Березники 1996 г.
По теме диссертации имеется 9 публикаций и получено 4 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 8 разделов: введения, 6 глав и заключения. Содержит 142 страницы основного текста, 49 рисунков, список литературы 105 наименований.
Описание процесса функционирования пьезоэлектрических преобразователей переменного давления и основные зависимости между их напряженно-деформированным состоянием и выходным сигналом
В данной работе рассмотрены широко применяемые на практике пьезоэлектрические ППД, являющиеся наиболее исследованными, совершенными и распространенными [1], [25], [29], [32], [39], [62]. Процессы, происходящие в них при функционировании, имеют полное и точное математическое описание, многократно подтвержденное на практике [48], [49], [64]. Пьезоэффект, используемый в ППД, характеризуется высокой точностью и линейностью. Рассмотрение пьезоэлектрических ППД, являющихся одними из самых высокочастотных и высокоточных, позволяет в наиболее простом и наглядном виде получить описание их функционирования. Сочетание этих качеств определило выбор для рассмотрения в данной работе ППД именно такого типа. Следует отметить, что полученные при рассмотрении пьезоэлектрических ППД результаты, в принципе применимы с учетом используемого эффекта к ППД любого другого принципа действия, например, тензометрическим, индуктивным, емкостным, волоконно-оптическим и т.д.
Изучение научно-технической литературы по пьезоэлектрическим ППД и по проблемам, связанным с их деформационной восприимчивостью, позволило условно разделить имеющуюся информацию на четыре категории.
Во-первых, это описания конструкций отдельных элементов и ППД в целом, содержащиеся в том или ином виде в проспектах, каталогах, справочниках, пособиях по проектированию, технических паспортах, технических описаниях и чертежах. К этой категории относятся работы [9], [25], [29], [32], [39], [48], [49], [62], [64]. Во-вторых, это различного рода методы технических расчетов и рекомендации по проектированию ППД и их компонентов: [5], [25], [29], [31], [35], [48], [49], [62], [64], [78],
В-третьих, это теоретические описания применяемых эффектов и зависимостей: [1], [2], [8], [26], [32], [33], [39], [48], [49], [58], [62], [64], [40], [41], [53] - [55], [59], [60], [65], [80], [82], [90], [105], В-четвертых, методы решения задач, возникающих при теоретическом описании: [3], [4], [7], [24], [25], [36], [42] - [47], [61], [66], [68], [71], [73] - [76], [81] [89]Д91]-[101].
Литературный обзор показывает, что существует большое количество работ, посвященных описанию работы и проектированию отдельных элементов и узлов ППД. Много работ посвящено расчетам различной степени точности, сложности и детальности применительно к этим узлам и элементам. Уровень сложности расчетов колеблется от использования справочных данных и методов сопротивления материалов до использования методов теории упругости, задачи которой решаются методом конечных элементов. Однако не было обнаружено работ, в которых бы эти разрозненные частные описания сводились бы воедино, и приводилось бы описание функционирования всего ППД в целом.
Имеются работы, посвященные деформационной восприимчивости датчиков вибраций (акселерометров) [78]. Однако, решение задачи учета деформационной восприимчивости для ППД существенно сложнее задачи учета такой восприимчивости для акселерометров. Причина заключается в том, что акселерометр взаимодействует с измеряемым объектом.по поверхности, а ППД - по объему. Кроме того, различить деформацию объекта и ускорение проще, чем напряженно-деформированное состояние, вызванное деформациями объекта и измеряемым давлением.
Существуют работы, посвященные расчету частотных характеристик ППД [34], [35], [31]. В этих работах приводятся методы расчета для чувствительных элементов ППД, основанные на грубой аппроксимации их балками, стержнями, пластинами с последующим нахождением аналитического решения. В работе [35] приводится пакет программ для ЭВМ, рассчитанный на определение методом конечных элементов собственных частот отдельных конструктивных частей ППД, а именно мембран и чувствительных элементов. Частотные характеристики всего ППД в данной работе не определяются.
Не обнаружено работ, позволяющих на основании данных о конструкции всех элементов, а также их механических и пьезоэлектрических характеристик расчетным путем определить характеристики ППД. В явном виде не обнаружены материалы, описывающие деформационную восприимчивость ППД.
Сложившаяся ситуация объясняется тем, что необходимость учета деформационной восприимчивости возникает, в основном, при высокоточных измерениях в расширенном диапазоне частот. В таких случаях используются специализированные средства измерений, например датчики для научных исследований, рабочие эталоны, которые изготавливаются по индивидуальным заказам и не фигурируют в каталогах.
Поскольку в качестве таких средств измерений используются пьезоэлектрические ППД, повышение их точности путем учета деформационной восприимчивости является актуальной проблемой, учитывая, что другие пути практически исчерпаны. На основании материалов литературного обзора предложены следующее описание конструкции ППД и описание процессов при его работе.
В общем случае ППД является упругим твердым телом, состоящем из ряда областей с различными упругими свойствами. На рис. 1.1 показаны типичные, или обобщенные ППД и ОУ. Обобщенный ППД имеет поверхность, воспринимающую измеряемое давление, обозначенную SJ. Резьбовая поверхность, по которой он вставлен (ввинчен) в ОУ, обозначена S2, поверхность, по которой ППД контактирует с объектом установки с обратной стороны, обозначена как S3. В случае использования конструкции с накидной гайкой ППД контактирует с ОУ только по поверхности S3. Продольная ось симметрии ППД обозначена как Z
Анализ конструкций высокоточных высокочастотных Рис. 1.1. Обобщенные ППД и ОУ. пьезоэлектрических ППД различных типов, выпускаемых различными предприятиями и фирмами (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, Endevco, Kestler, Bruel and Kjaer, Keller) [29], [32], [39], показывает, что существуют признаки, общие для всех датчиков. Все они симметричны относительно продольной оси (в большинстве случаев - тела вращения), имеют чувствительный элемент из материала, обладающего пьезоэффектом, установленный в корпусе сложной конструкции. Практически в любом случае конструкция ППД и его элементов осесимметрична с осью симметрии Z, показанной на рис. 1.1. Существующее многообразие конструкций свелось к двум основным вариантам: ППД с резьбовым установочным гнездом и ППД с накидной гайкой.
Постановка задачи, определение граничных и начальных условий при теоретическом исследовании напряженно-деформированного состояния объекта установки
В построении предлагаемой математической модели основным элементом является решение задачи теории упругости для сложного тела, которым является ППД. Решение этой задачи возможно только с использованием численных методов [36], [42] - [47], [88] - [101].
В качестве метода решения задачи теории упругости был выбран метод конечных элементов (МКЭ) [36], [42] - [45], [47 ], [88] - [95], [98] - [101], [104] как наиболее универсальный и практически единственный при анализе НДС сложных конструкций со сложными случаями нагружен ия. В качестве альтернативных рассматривались метод конечных разностей и метод ортогональной прогонки. Ни один из этих методов не позволяет решать задачи гармонического анализа и статической задачи теории упругости, используя в качестве исходных данных одну и ту же модель твердого тела с его геометрией и размерами. Кроме того, точность МКЭ достаточна и соизмерима с точностью экспериментальных методов определения деформационной восприимчивости ППД.
В первоначальном варианте [11] основу МКЭ составляло использование двумерного восьмиузлового изопараметрического конечного элемента [43]. Промежуточные интегрирования проводились с использованием квадратур Гаусса-Лежандра [51], результирующая система уравнений решалась методом Гаусса [69], [72], [51]. После длительных улучшений и модификаций была принята версия МКЭ близкая по идеологии к пакетам программ COSMOS и ANSYS [101]. В окончательном варианте математической модели использовался пакет ANSYS как инструмент для решения задач теории упругости, дополненный программными модулями интегрирования по объему и расчета деформационной восприимчивости, выполненными на языке FORTRAN77. 1.7.1. Обзор литературы показывает, что существуют работы, посвященные деформационной восприимчивости акселерометров, однако применительно к ППД такие работы практически отсутствуют. 1.7.2. Показано, что деформации ОУ могут искажать показания ППД. 1.7.3. Определены основные зависимости между напряженно-деформированным состоянием преобразователей переменного давления при их функционировании, деформациями объекта и метрологическими характеристиками. Приведено математическое описание процесса измерения и происходящих при этом процессов. 1.7.4. Определена возможность к вази статической постановки задач теории упругости. 1.7.5. Поставлена задача построения математической модели деформационной восприимчивости и определения граничных условий для ППД и ОУ. 1.7.6. В качестве основы для построения математической модели деформационной восприимчивости ППД выбран метод конечных элементов. Высокоточные ПГТД, имеющие расширенный диапазон рабочих частот, применяются, как правило, в научных исследованиях и в качестве образцовых и эталонных средств измерений. Объектами установки для них являются рабочие эталоны, различные экспериментальные устройства и установки, камеры сгорания двигателей внутреннего сгорания и т. д.
В качестве примера объекта установки выберем устройство, в котором уровень деформаций минимален, и более того, предприняты меры по их снижению. Таким устройством является установка с ударной трубой УУТ-4, входящая в состав Государственного специального эталона переменных давлений (ГОСТ 8.433-81) [38]. Первичные преобразователи давления рабочего эталона устанавливаются в резьбовых отверстиях в стенках ударной трубы. Деформации, возникающие в стенках ударной трубы при ее функционировании, передаются через корпус ППД на его чувствительный элемент, внося при этом погрешность. Таким образом, для ППД рабочего эталона измеряемой величиной при передаче размера единицы давления является давление, а влияющей - деформация стенок ударной трубы в области установочного гнезда.
Схема установки показана на рис. 2.1. Ударная труба установки УУТ-4 представляет собой волновод, состоящий из нескольких секций, а именно, секции избыточного давления 1, промежуточных секций 3, измерительной Рис.2.1. Схема ударной трубы. Секции 4, в которой имеются гнезда 5 для установки ППД. Длина секций может составлять 0,25; 0,5; 0,9 м, внутреннее сечение постоянно и составляет 34x72 мм при толщине стенок 25 мм, общая длина трубы от 2,5 до 4м. Количество секций может меняться в зависимости от поставленных целей при использовании трубы. Установка имеет узел формирования скачка давления 2, который не вносит неоднородностей в волноводныи канал и не меняет геометрии стенок трубы. Устройство УУТ-4 выполнено таким образом, что стенки трубы имеют минимальную механическую связь с опорами и фундаментом.
Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния преобразователей переменного давления различных конструкций
Следует отметить, что амплитуда этих колебаний невысока, и несмотря на превышение амплитуды высших гармоник продольных и изгибных колебаний, на 2 порядка меньше, чем амплитуда первых мод. На более высоких частотах колебаний с заметными амплитудами так же не обнаружено. Из полученных результатов следует вывод об отсутствии высокочастотных деформаций.
В результате вычислений при решении статической задачи получены значения перемещений на поверхности S2 (границе) и значения механических напряжений (и деформаций) в точке установки тензометров. Перемещения, полученные при решении статической задачи теории упругости для ударной трубы в соответствии с приведенными выше граничными условиями, приведены в качестве примера на рис.2.6, рис.2.7 и рис.2.8. На этих рисунках показано распределение перемещений, соответственно для перемещений по оси X - Ux, для перемещений по оси Y - Uy, и для оси Z - Uz. Вырезы под резьбовые отверстия условно показаны незаполненными материалом корпуса ППД. Показаны фрагменты трубы в районе одного из установочных гнезд. Шкала перемещений указана в м.
Полученные массивы перемещений для узловых точек на поверхностях контакта ОУ и ППД могут быть использованы в качестве граничных условий для решения задач следующих этапов построения математической модели деформационной восприимчивости.
Для точек, в которых установлены тензометры, получены значения напряжений в продольном и поперечном направлениях. Несмотря на небольшую базу тензометров (5...7 мм), изменение вдоль их осей вычисленных напряжений весьма заметно. Значения напряжений на тензометрах составили в продольном направлении 163...216 кПа, в поперечном направлении 490...513 кПа. При указанном уровне внутренних давлений и толщине стенок значения напряжений невелики.
Все вышесказанное относительно эталонной установки УУТ-4 полностью справедливо и применительно к рабочим средствам измерений, с тем лишь отличием, что влияние деформаций ОУ для них выше даже на фоне общей, более высокой погрешности, поскольку отсутствуют мероприятия по снижению уровня влияющих деформаций.
Решения, полученные в данной части работы были подтверждены экспериментально [12]. Низкий ожидаемый уровень измеряемых деформаций в сочетании с высокими требованиями к динамике процесса, обусловили следующий выбор средств измерений при экспериментальном определении действующих деформаций. В качестве первичных преобразователей деформаций использовались полупроводниковые тензорезисторы Ю-12-35 с коэффициентом тензочувствительности S=100, которые включались в одно из плеч мостовой схемы. Использовался усилитель У7-8 с полосой пропускания 0-20 кГц, регистрация осуществлялась запоминающим осциллографом CS-1 I. Тензорезисторы наклеивались клеем "Циакрин ЭО" в непосредственной близости от установочного гнезда в продольном и поперечном направлении. Схема установки тензометров показана на рис.2.2. Указанные направления соответствуют ожидаемым направлениям главных деформаций и напряжений. Установочные гнезда расположены на верхней и боковых стенках ударной трубы.
При исследовании для сопоставления измеряемых деформаций и давлений одновременно регистрировались либо сигналы продольной деформации и давления, либо сигналы поперечной деформации и давления. Привязка времени при сопоставлении продольных и поперечных деформаций осуществлялись по началу изменения сигнала давления. В результате проведенных работ установлены следующие зависимости между измеряемым давлением и деформациями ОУ.
При действии прямоугольного скачка давления поперечные деформации также имеют форму прямоугольного скачка. Длительность переднего фронта скачка деформаций превышает длительность переднего фронта скачка давления и составляет 150-200 мкс, после 600-700 мкс имеются наложенные колебания, амплитуда которых составляет 15-20% от амплитуды скачка деформаций, а частота составляет 200-300 Гц. Следует отметить, что деформация начинает нарастать за 50-80 мкс до прохождения фронта ударной волны мимо ППД рабочего эталона, что объясняется более быстрым распространением деформаций по металлическим стенкам ударной трубы по сравнению с распространением ударной волны в газе. Типичные осциллограммы поперечных деформаций приведены на рис.2.9 и 2.10.
Необходимо отметить, что основной целью измерений являлось определение уровня действующих деформаций, для частот проводилась только их оценка.
При сопоставлении амплитуд скачка давления при передаче размера единицы давления и вызываемой им деформации (напряжения) установлена пропорциональность между указанными величинами, что позволяет сделать вывод: деформации полностью определяются давлением. Значения величин приведены в Таблице 2.1.
При измерениях продольных деформаций установлено, что в момент прохождения фронта ударной волны измеряемого давления наблюдается импульс длительностью 100-150 мкс, причем его начало опережает фронт ударной волны на 40-50 мкс. После прохождения указанного импульса наблюдаются колебания, частоты которых лежат в пределах 400-700 Гц, а амплитуда составляет 80-90% амплитуды импульса. Между амплитудами продольных деформаций и скачка давления так же наблюдается пропорциональность, о чем свидетельствуют данные, приведенные в Таблице 2.1. На рис.2.11 и 2.12 приведены типичные осциллограммы процесса изменения продольных деформаций.
Алгоритм вычисления деформационной восприимчивости преобразователей переменного давления
Экспериментальное исследование деформационной составляющей погрешности должно быть направлено на достижение двух основных целей: во-первых, для пьезоэлектрических ППД различных конструкций экспериментально подтвердить факт существования погрешности, обусловленной деформациями (напряжениями) ОУ; во-вторых, экспериментально определить значения деформационной восприимчивости, определив точность построенной численной модели для различного сочетания параметров ППД; Анализ основных зависимостей между напряженно-деформированным состоянием ОУ и ППД при их функционировании позволяет утверждать, что деформационная восприимчивость, в первую очередь, зависит от соотношения размеров и взаимного расположения конструктивных элементов ППД. Следующим по вшкности фактором является материал ЧЭ, характеризующийся матрицей пьезомодулеи и матрицей упругих постоянных, далее следуют механические характеристики материалов ППД и ОУ и, наконец, способ закрепления (включая момент затягивания резьбы) ППД в ОУ. Анизотропия матрицы пьезомодулеи ЧЭ приводит к тому, что восприимчивость ППД к деформациям ОУ зависит от их взаимной ориентации. Исследование влияния соотношения размеров и взаимного расположения конструктивных элементов ППД сводится к исследованию различных типов ППД. Исследовались ППД 11 различных типов. Планирование эксперимента [30], [67] сводится к учету для ППД каждого тина Зх факторов: ориентации продольной оси ППД относительно главных осей НДС, момента затягивания резьбы (для завинчиваемых ППД и ППД, устанавливаемых с помощью накидной гайки) и уровня деформаций ОУ. Собственно эксперимент сводится к имитации установки ППД в ОУ, созданию в нем заранее известного НДС, и измерению выходного сигнала, то есть определению деформационной восприимчивости. Учитывая вышеизложенное, и основываясь на полученных в предыдущих главах сведениях о конструкциях ППД и результатах исследования деформаций в ОУ, можно сформулировать следующие требования к экспериментальной установке для исследования напряженно деформированного состояния ППД: - установка должна работать в квазистатическом режиме, постоянная времени не задается и может составлять несколько секунд; - установка должна позволять создавать в ППД напряженно-деформированное состояние с высокой степенью повторяемости и воспроизводимости, причем это относится не только к величине напряжений и деформаций, но и к их распределению; - установка должна позволять создавать в ППД идентичное напряженно-деформированное состояние при закреплении в ней ППД под любым углом относительно его продольной оси; - установка должна полностью имитировать закрепление ППД в ОУ; - точность задания напряжений и деформаций должна быть не ниже точности рабочих средств измерений; - уровень задаваемых напряжений и деформаций должен позволять определять границы линейности и быть не менее 40МПа; - создаваемое в установке НДС должно быть простым и иметь аналитическое решение; - установка должна позволять использовать серийные средства измерений и устройства. 58 Сущность метода заключается в следующем. В качестве имитатора объекта измерения используется диск, обозначенный 2, в центральную часть которого устанавливается (завинчивается) исследуемый ПГТД, обозначенный 1. Толщина диска должна быть не менее длины резьбовой части или длины установочного узла преобразователя. Диск нагружается диаметрально противоположно приложенными усилиями при помощи гидравлического силозадающего устройства, обозначенного 3, после чего нагрузка снимается и вольтметром, обозначенным 5, соединенным с ПГТД антивибрационным кабелем, обозначенным 6, регистрируется изменение выходного сигнала преобразователя, соответствующее изменению нагрузки. Измерения повторяются при различной ориентации диска, а следовательно, и корпуса преобразователя относительно линии действия сил. При использовании способа установки ППД с использованием накидной гайки толщина диска должна соответствовать толщине ОУ. Расчетная схема приведена на рис. 3.2 там же даны обозначения.
