Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ упругих свойств пьезоматериалов и преобразователей на их основе, определяемых посредством физико-механических испытаний 35
1.1 Объект научно-исследовательских испьітаі іий 35
1.2. Уравнения пьезоэлектрического эффекта 38
1.3. Задачи для электроупругих материалов и изделий, решаемые посредством физико-механических испытаний 42
1.3.1. Статические задачи для электроупругих материалов 42
1.3.2. Двумерные статические задачи для пьезоэлектрических материалов 43
1.3.3. Статические задачи изгиба пьезоэлектрических пластин... 46
1.3.4. Колебания тел из пьезоматериалов 48
1.3.5 Колебания пьезопластин 49
1.3.6. Колебания пьезоцилиндров и пьезосфер 54
1.4. Пьезопреобразователи механических величин 55
1.4.1. Важнейшие электрические и механические характеристики пьезопреобразователей 55
1.4.2. Чувствительность и управляемая избирательность пьезопреобразователей механических величин 59
1.4.3. Анализ применения пьезопреобразователей для исследования силовых механических полей 60
1.5. Распространение волн в пьезоэлектрических средах. 68
1.6. ПАВ-преобразователи 73
1.6.1. Термочувствителыюстъ ПАВ-прибороп 74
1.6.2. Тснзочувствителыюсть ПАВ-приборов 77
1.6.3.І ІАВ-ирсобразователи 78
1.6.4. Эквивалентная схема иьезонреобразователей 80
1.7. Выводы 83
ГЛАВА 2 Математический анализ параметров пьезонреобразова гелей физико-механических величин. исследование чувствительности и помехозащищенности 84
2.1. Общие положения 84
2.2. Анализ частотных характеристик пьезопреобразователей при сжатии и растяже1іии 85
2.3. Анализ параметров эквивалентной схемы иьезонреобразователей 92
2.4. Чувствителы юсть пьезопреобразователей 93
2.5. Управляемая избирательность пьезопреобразователей 96
2.6. Выводы 99
ГЛАВА 3 Методы определения физико-мехаиических свойств деформируемых материалов 101
3.1. Метод исследования и контроля напряженного состояния 101
3.2. Экспресс-метод контроля вязкости расплавов (растворов) 103
3.3. Экспресс-метод контроля модуля упругости 107
3.4. Экспресс -метод контроля гигроскопичности 108
3.5. Выводы 1
Пьезо- и электрические преобразователи и системы определения Физико-механических свойств деформируемых материалов 111
4.1. классификация разработанных преобразователей исследования и контроля физико-механических свойств материалов 111
4.2. Увеличение диапазона линейности измерения 113
4.3. Пьезопреонразователи исследования и контроля Напряженного состояния 1 16
4.3.1. Преобразователь 1іпіі-1 с использованием колебаний растяжения-сжатия 116
4.3.2. Преобразователь ппп-2 с использованием колебаний растяжения-сжатия в противофазе 119
4.3.3. Преобразователь ппн-3, основанный на колебаниях изгиба чувствительного пьезоэлемента 121
4.3.4. Система исследований и контроля напряженного состояния в нелинейно-упругой среде с автоматической корректировкой погрешности измерений 123
4.3.5.1 ірсобразователь іігїн-4 для работы в широком диапазоне температур 128
4.4. Электрическая система исследований и контроля вязкости 130
4.5. Частотно-резонансная система исследований и контроля модуля упругости 132
4.6. Система исследований и контроля гигроскопичности 133
4.7. Аналого-цифровая система получения информации о напряженном состоянии деформируемах материалов с использовнием пьезоэффекта 134
4.8 выводы 144
Глава 5 Экспериментальные исследования пьезо-и электрических преобразователей и систем определения физико-механических свойств деформируемых материалов 148
5.1 Методика исследования метрологических характеристик пьезопреобразователеи контроля напряжённого состояния 148
5.2. Зависимость выходных характеристик пьезопреобразователеи от вида деформаций 156
5.3. Зависимость выходных характеристик пьезопреобразователеи от величины возбуждающего электрического напряжения 162
5.4. Сравнение работы пьезопреобразователеи при разных видах нагружения в различных деформируемых материалах 164
5.5 влияние поперечных механических напряжений на пьезопреобразователи в материале 177
5.6. Влияние сдвиговой нагрузки на работу преобразователей 180
5.7 влияние низких температур (до -196с) на работу пьезопреобразователеи исследования и контроля механических напряжений 182
5.8 влияние высоких температур (до +200с) на работу пьезопреобразователеи исследований и контроля механических напряжений 185
5.9 анализ важнейших рабочих характеристик первичного преобразователя вязкости 189
5.10 зависимость м вр на валу электродвигателя от потребляемой мощности 193
5.11. Выводы 195
Глава 6 Применение пьезо- и электрических преобразователей и систем определения физико-механических свойств деформируемых материалов 202
6.1. Характеристика композитных материалов 202
6.2. Анализ напряженного состояния экспериментального образца материала на основе полиолефинов 206
6.3. Разработка методики исследования и контроля напряженного состояния в деформируемых материалах 208
6.4. Статические испытания для исследования и контроля напряженного состояния деформируемых материалов, предназначенных для изготовления металлопластовых конструкций 211
6.5. Измерение моментов вращений в различных полимерах 215
6.6 особенности контроля модуля упругости деформируемых материалов 21"
6.7. Применение преобразователя для контроля гигроскопичности деформируемых материалов 2 j 7
6.8. Внедрение пьезопреобразователей в производство 22 ^
6.9. Выводы 223
Выводы 226
Литература
- Задачи для электроупругих материалов и изделий, решаемые посредством физико-механических испытаний
- Анализ частотных характеристик пьезопреобразователей при сжатии и растяже1іии
- Экспресс-метод контроля модуля упругости
- Пьезопреонразователи исследования и контроля Напряженного состояния
Введение к работе
Улучшение качества изделий различных отраслей промышленности с одновременным уменьшением эксплуатационных затрат и экономией сырьевых и топливно-энергетических ресурсов определяется надежностью конструкционных материалов и несущих элементов конструкций. Прогнозирование надежности тесно связано с оценкой их прочности - способности противостоять разрушению.
Существуют два различных механизма разрушения материалов: хрупкое разрушение путем отрыва, происходящее внезапно при относительно небольших деформациях, и пластическое разрушение путем среза (сдвига). Первое разрушение характерно для линейно-упругих материалов, второе - для упруго-пластичных.
Для современной техники характерно применение большого ассортимента различных конструкционных материалов (металлов, сплавов, армированных пластиков и других полимеров), условия работы которых также разнообразны (высокие температуры, глубокий холод, интенсивные динамические нагрузки). Поэтому их механические свойства в разных условиях применения также различны.
Прочность - очень широкое понятие даже в сфере материаловедческих наук. Под прочностью понимается свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также пластической деформации под действием внешних нагрузок. Критерии прочности строятся на основании полученных в эксперименте при обобщенных условиях предельных величин удельных нагрузок - напряжений, предшествующих разрушению и распределенных в контролируемом объеме материала по известному и по возможности простому закону. Опорными точками классических теорий прочности являются характеристики пределов прочности при простом
статическом механическом напряжении: пределы прочности при одноосном растяжении Тр, сжатии Тс, сдвиге xmax. Для
анизотропного тела к каждой оси симметрии относят по одной из вышеупомянутых характеристик прочности.
Предел прочности, помимо свойств материала, зависит от температуры и условий деформации. Зависимость предела прочности от условий деформации приводит к тому, что следует учитывать значение деформации, развивающейся к моменту разрушения (разрыва) материала Sp. Это значение Sp зависит от
материала, величины деформирующей силы и скорости нарастания деформирующей силы. При одноосном растяжении Sp определяется
как относительное удлинение при разрыве.
При заранее заданных условиями эксплуатации значениях Тп
(или єр) время воздействия деформирующей силы, при котором
происходит разрушение материала, не может быть произвольным. Тогда прочность может характеризоваться также долговечностью тр
— временем от начала действия деформирующей силы до разделения образца материала на части.
Известно, что множество материалов сочетают в себе свойства упругости и вязкости. Причем, проявление в большей степени упругости или вязкости зависит от скорости нагружения.
В связи с этим особое значение приобретает определение удельной работы деформации до разрыва
sp Ар = JT(S)dS. о
Если разрушение материала происходит при ударе (резкое действие нагрузки), то работу, затраченную на разрушение и отнесенную к единице поверхности разрушения, называют удельной ударной вязкостью.
Таким образом, анализируя этот метод оценки прочности можно выделить следующие недостатки: определение Ар, т , Sp -
процесс трудоемкий, трудность их точного измерения, невозможность применения к эксплуатируемым изделиям, т.к. метод разрушающий.
Несовершенство вышеописанной оценки прочности можно объяснить тем, что большинство материалов сочетают в себе как упругие свойства, так и вязкие, а также имеют нелинейную и неоднозначную связь между напряжениями и деформациями. К таким материалам относятся, например, полимеры. Факт сочетания упругих и вязких свойств в материалах известен ещё со времен Максвелла, который предложил наиболее простую модель (есть и другие) такого сочетания. Согласно этой модели, после приложения сил в телах наступает упругая деформация, а затем в течение всего времени действия сил будет развиваться вязкое течение, следствием которого является необратимая деформация - та часть общей деформации, которая не исчезает после прекращения действия сил.
Предложенная Максвеллом модель воспроизводит (с
определённой степенью точности) поведение упруго-вязких
материалов при деформации, которое описывается
дифференциальным уравнением
dS 1 dT T
+
dt у dt Ль
где S - деформация;
Y - модуль упругости;
T - механическое напряжение;
г\ь- вязкость.
рис.1. Модель Максвелла
1 dT
Выражение этого уравнения описывает упругие свойства, а
Y dt
Т/г)ь -вязкие.
Упругая деформация S возникает мгновенно при каждом данном
значении напряжения Т, и скорость изменения деформации поэтому
определяется скоростью изменения напряжения
dS^dT dt y dt '
При постоянном действующем напряжении (Т = const) dT/dt = 0. Уравнение принимает вид dS/dt = T/r\b .
Отсюда следует, что под действием постоянного напряжения происходит вязкое течение множества неметаллических и металлических материалов, таких как полимеры, бетон, смолы, медь, алюминий и др.
Как уже упоминалось, множество материалов сочетают в себе свойства упругости и вязкости. Причем, проявление упругости или вязкости зависит от скорости нагружения. Анализ дифференциального уравнения показывает, что у множества материалов под действием постоянного напряжения наряду с проявлением упругих деформаций происходит вязкое течение в период всего времени действия напряжений.
Пусть мы имеем дело с процессом релаксации напряжения при сохранении постоянного удлинения (растяжения) образца материала
По понятным причинам, напряжение в конце концов упадет до
нуля. При этом дифференциальное уравнение примет вид
J_dT__j_ Т dt ~ Ль '
Из этого следует, что напряжение и скорость изменения напряжения в образце материала определяются модулем упругости и коэффициентом вязкости. Эти характеристики являются отображением соответственно упругих и пластических свойств материалов и не зависят от характера деформаций, зависящих в свою очередь от условий эксплуатации.
Модуль упругости - это коэффициент пропорциональности между напряжением при упругой деформации (закон Гука). Коэффициент вязкости - это коэффициент пропорциональности между напряжением сдвига и скоростью сдвига при пластической деформации расплава (раствора) материала (закон Ньютона).
Предельное (предшествующие разрушению) состояние материала в значительной мере определяется такими характеристиками, как модуль упругости у и удельная работа Ар, необходимая для возникновения новой
поверхности в материале. Эту работу, отнесённую к единице возникшей поверхности, и называют удельной ударной вязкостью материала А .
Более того, в зависимости от удельной работы материалы могут быть подразделены на группы.
Если Ар <1, то материал можно считать хрупким, квази- хрупким
при 1<Ар<100, пластичным, если Ар>100. Наиболее широко применяются в технике материалы, обладающие высокими значениями JyAp и статической прочности при кратковременном нагружении, характеризуемой пределом прочности Т .
Проявление вязкого течения под действием механической нагрузки в твердых материалах было открыто более ста лет назад, получило название крип или ползучесть и происходит крайне медленно. Поэтому контролировать вязкость лучше в расплавах или растворах материалов и потом использовать эту информацию для прогнозирования или оценки свойств твердого состояния соответствующих материалов.
Оценка же вязкости, проявляемой в твердых материалах по измеренной вязкости расплавов (растворов) этих материалов или по удельной ударной вязкости, является пока предметом дальнейших исследований.
Известно, что прочность материала во многом снижается при наличии в нем пор, микротрещин и трещин, которые эффективно можно оценивать, контролируя способность накопления влаги материалом (гигроскопичность). Информация о гигроскопичности также важна и при подготовке материалов к оценке физико-механических свойств.
Таким образом, на основании вышеизложенного, в связи с практической целесообразностью неразрушающего контроля в качестве основного показателя прочности материалов и изделий следует использовать, то значение механического напряжения, которое предшествует необратимому формоизменению, а не разрушению материала, а также модуль упругости, коэффициент вязкости и
гигроскопичность (пористость) - дополнительных характеристик для учета условий эксплуатации.
Существуют разнообразные методы определения напряженного состояния - как разрушающие, так и неразрушающие. Среди них наиболее широкое распространение получили ультразвуковые методы, основанные на поглощении ультразвуковых волн в контролируемом изделии и применяемые практически к любым материалам - металлам, неметаллам, магнитным и немагнитным изделиям, оптически прозрачным и непрозрачным средам. Однако, эти методы позволяют получать только обобщенную информацию о напряженном состоянии деформируемых материалов. Большое распространение в технике получил традиционный метод - определение механических напряжений путем измерения деформаций с использованием теории упругости.
Известно, что у большинства материалов (некоторые металлы, стеклопластики, пластмассы, бетоны и др.) связь между деформациями и напряжениями нелинейна и неоднозначна. Поэтому для них оказываются непригодными методы, основанные на определении напряженного состояния путем измерения деформации.
Напряженное состояние в этом случае целесообразно аттестовать путем измерения напряжений измерительными пьезоэлектрическими преобразователями. В связи с этим возникает необходимость разработки метода непосредственного измерения механических напряжений с помощью пьезоэффекта, а также разработки средств контроля напряженного состояния изделий с помощью преобразователей на основе новых пьезокерамических материалов.
Для определения модуля упругости, например, в пластмассах используют реласакционные кривые напряжения, многократно полученные в течение длительного времени.
В бетоне модуль упругости обычно вычисляют по его зависимости от сопротивления сжатию, исходя из предположения, что между ними
существует однозначная корреляционная связь. Исследования показывают, что при одинаковой прочности модуль упругости бетона меняется в широких пределах.
Исследование вязкости, например, расплавов полимеров проводят на приборах, называемых вискозиметрами, которые бывают капиллярными и ротационными. Используют также и динамические методы. Обработка экспериментальных данных при этом очень трудоемка, и выполняют ее обычно с привлечением автоматизированных систем.
При подготовке конструкционных материалов к оценке технологических свойств нужно учитывать зависимость их от влажности (содержание свободной влаги, выраженное в процентах к массе).
Повышенное содержание влаги приводит к образованию микротрещин в изделиях, что ведет к снижению прочности. В связи с этим представляет интерес оценка прочности пористых материалов путем определения их гигроскопичности (способности увлажняться в среде влажного воздуха).
Многие материалы способны поглощать (сорбировать) влагу из окружающего воздуха. Влага первоначально накапливается в поверхностном слое, а затем располагается в объеме материала в результате диффузии.
В полимерах, например, влага оказывает влияние на их физико-механические свойства. А если учесть, что некоторые полимеры поглощают из окружающей среды до 10 % влаги, то понятно, что влияние становится значительным. Гигроскопичность полимеров часто приходиться определять из кривых кинетики сорбции путем графического построения. Такой метод продолжительный, кроме того, речь здесь может идти о конкретном полимере.
Вышеизложенное ставит вопрос о разработке новых оперативных экспресс-методов контроля физико-механических характеристик,
являющихся эксплуатационными показателями конструкционных материалов и изделий из них, а также определяющих условия переработки обширного класса материалов - полимерных.
В связи с исследованиями пьезоэффекта, проведенными в нашей стране и за рубежом, а также созданием новых пьезоэлектриков, интерес к пьезопреобразователям возрастает все более и более. Повышенные пьезоэлектрические свойства элементов из современной пьезокерамики позволяют создавать преобразователи различных размеров и форм, имеющие высокие измерительные характеристики, простую конструкцию, высокую добротность, безгистерезисность, химическую и радиационную стойкость, компактность, технологичность, монолитность, низкую стоимость и серийнопригодность, управляемую избирательность к полезному сигналу.
В заключение выражаю глубокую признательность проф. М.И. Киселеву, благодарность проф. В.А. Груздеву и Л.Н. Фомице за научные консультации. В процессе работы над диссертацией соискатель получил существенную помощь со стороны профессоров Д.Н. Лазовского и Ф.И. Пантелеенко, которым также выражает благодарность. Кроме того, соискатель благодарен с.н.с. НПО «Пластполимер» Т.П. Хватовой, В.Д. Румянцеву, B.C. Василенко, Е.И. Евдокимову за ценные замечания и предложения.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Надежность изделий различных областей науки и техники определяется показателями качества конструкционных материалов и несущих элементов конструкций, а ее увеличение снижает эксплуатационные затраты и экономит сырьевые и топливно-энергетические ресурсы, что в настоящее время для предприятий различной области промышленности входит в число
первостепенных задач. Прогнозирование надежности с целью уменьшения затрат тесно связано с оценкой прочностных характеристик материалов. В значительной мере эти проблемы могут быть решены применением неразрушающих методов и устройств для инженерной оценки прочности материалов, изделий из них, элементов конструкций и самих конструкций, в том числе во время их эксплуатации.
Прочность, как известно, свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а так же пластической деформации под действием внешних нагрузок. Внешние воздействия могут быть как простыми: механическими, тепловыми, электрическими и др., так и сложными комбинациями простых воздействий, в результате которых развиваются механические напряжения и деформации в твердом теле.
Критериями в классической теории прочности являются характеристики прочности при простом статическом нагружении: пределы прочности при одноосном растяжении Тр, сжатии Тс, предел прочности при сдвиге ттах . Применительно к конструкционным материалам и изделиям различных отраслей промышленности в зависимости от свойств материала и условий эксплуатации дополнительно необходимо учитывать: максимальную относительную деформацию Sp., время от начала до разрушения тр и удельную работу
деформации до разрыва, определяемую как Ар=/ T(s)dS , где Т -
механическое напряжение, S - деформация.
Анализируя возможности комплексный оценки прочности, можно выделить следующие недостатки: точное определение Ар,тр, Sp, - процесс сложный и трудоемкий, сами характеристики условны, невозможность применения к эксплуатируемым изделиям, так как метод разрушающий. Для реализации неразрушающего контроля, в связи с его практической целесообразностью, следует использовать в качестве основного
показателя прочности материалов и изделий то значение механического напряжения Т, которое лишь предшествует пластической деформации S.
Как известно твердое тело сочетает в себе как упругие, так и вязкие свойства. Согласно модели Максвелла, эти характеристики описываются дифференциальным уравнением: dS/dt=dT/ydt+T/4B (1), где S -деформация; у - модуль упругости; Т - механическое напряжение; г|в -вязкость.
При T=const реализуются условия вязкого течения T=u.-dS/dt (Закон Ньютона); видно что г|в - это коэффициент пропорциональности между нагрузкой и скоростью деформации, если же S=const уравнение (1) принимает вид: l/T-dT/dt=-y/r|B. Из чего следует, что механическое напряжение Т и dT/dt (скорость изменения напряжений) зависят от модулей упругости и вязкости. Поскольку у и г)в являются константами, их можно рассматривать в качестве физических характеристик материала. Следовательно, эти характеристики являются не условными, а исчерпывающими, когда речь не идет о разрушении материала при оценке прочности. Кроме того, использование у и г|„ в качестве показателей оценки прочности согласуется с законом термодинамики, т.к. определяет время релаксации (т=г]в/у).
Наличие пор, трещин, микротрещин и других дефектов снижает прочность материалов. Определение гигроскопичности позволяет оценить связанную с этим потерю прочности.
Итак, модуль упругости, вязкость и гигроскопичность являются прочностными характеристиками, учитывающими особенности применения конструкционных материалов в зависимости от условий их эксплуатации.
Использование в качестве базовых прочностных характеристик, предела упругости Туп, модуля упругости, вязкости, гигроскопичности, вместо предела прочности Тв, относительной деформации Sp, времени до
разрушения хр и удельной работой деформации разрушения Ар позволяет проще, более оперативно, достоверно, без разрушения образцов материала и во время его эксплуатации получать информацию для инженерной оценки прочности деформируемых материалов, под которой будем подразумевать практическую механическую прочность, то есть предельную способность материала сопротивляться пластической деформации при воздействии внешних механических нагрузок. Под инженерной оценкой прочности понимается общая оценка способности сопротивляться максимальным эксплуатационным нагрузкам.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в соответствии с НИР "Разработка методов исследования внутренних напряжений в композиционных материалах на основе полиолефинов", входившей в этап Т2 задания 02.07 целевой комплексной научно-технической программы Министерства химической промышленности СССР ОЦ.013 "Разработка технологии и создание промышленного производства высоконаполненных и композиционных труб, листов, машиностроительных, строительных и других изделий из них"; 5-летней госбюджетной НИР "Исследование электрофизических свойств легированных полупроводниковых материалов и пьезоэлектриков с целью изготовления приспособлений (устройств) неразрушающего контроля оптомикроэлектроники", входившую в программу фундаментальных исследований НАН Б "Разработка и исследование новых принципов образования перспективных опто- и микроэлектронных систем сохранения, переработки и обработки информации"; с 3-летней госбюджетной НИР «Разработка научных основ и методов исследования формообразования диэлектриков в процессах микромонтажа изделеий электронной техники», выполняемую в соответствии с государственной программой фундаментальных исследований (ГПФИ) «Материал»; планами Министерства образования РБ Полоцкого госуниверситета и
целого ряда других НИР, выполняемых Полоцким госуниверситетом по заказу промышленных предприятий.
Цели и задачи исследования. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязи механической нагрузки пьезоэлектриков и возникающей напряженностью электрического поля, а так же характера взаимодействия контролируемой твердой среды с устройствами контроля, разработать и освоить на промышленных предприятиях новые методы и системы исследования и контроля физико-механических свойств материалов и изделий с учетом условий эксплуатации последних, обеспечивающих повышение надежности, экономию сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ электроупругости пьезоэлектриков, а также
пьезопреобразователей механических величин на их основе. Установить
взаимосвязи различных механических нагрузок и условий нагружения с
возникающими при этом в пьезокристаллах электрическими полями, а
также физико-механическими свойствами контролируемой среды и
особенностями конструкций преобразователей контроля механических
напряжений Т при оценке прочности деформируемых материалов (ДМ).
Исследовать факторы, влияющие на точность измерения
пьезопреобразователей и позволяющие контролировать ими
механические напряжения Т (предел упругости) внутри деформируемых
материалов. Исследовать метрологические характеристики
пьезопреобразователей, используя разработанную методику
метрологической аттестации.
2. Разработать математическую модель пьезопреобразователей
напряжения (ППН) контроля и исследования механического напряжения
Т при оценке прочности ДМ, обеспечивающих высокую
чувствительность, линейность измерения, избирательность и возможность
использования их в зависимости от свойств контролируемой среды.
3. На основе анализа математической модели напряженно-деформированного состояния (НДС) твердого тела обосновать методологию инженерной оценки практической прочности.
Разработать метод контроля механических напряжений в инженерной оценке прочности ТТС и измерительные ППН, способные функционировать в широком диапазоне температур (-200...+200)С; освоить их на промышленных предприятиях.
4. Создать программу и методику метрологической аттестации
пьезопреобразователей механических напряжений в оценке прочности.
Провести метрологическую аттестацию преобразователей.
5. Разработать метрологическое обеспечение
пьезопреобразователей механических напряжений внутри ДМ.
Разработать экспресс-методы и системы исследований и контроля физико-механических свойств ДМ, учитывающих условия эксплуатации, а также условия переработки полимерных материалов в изделия, методики их применения.
Провести классификацию разработанных устройств исследований и контроля физико-механических свойств ДМ. Создать и освоить на промышленных предприятиях методы исследования и процессы контроля практической прочности ДМ.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются пьезоэлектрические моно - и поликристаллы, твердые сплошные среды. Предметом изучения являются методы исследования и контроля механической прочности, гигроскопичности, упругости и сжимаемости материалов и изделий из них, пьезоэлектрические системы и техпроцессы контроля, позволяющие повысить достоверность результатов, уменьшить эксплуатационные и сырьевые затраты.
Методология и методы проведенного исследования. Методология исследований включает установление взаимосвязей механического нагружения пьезоэлектриков с возникающей при этом напряженностью
электрического поля, разработку экспресс - методов и устройств исследования и контроля в инженерной оценке практической прочности твердых сплошных сред; программы метрологической аттестации, устанавливающей методику проведения метрологических исследований пьезопреобразователей напряжения; отработку техпроцесса изготовления пьезопреобразователей и систем исследования и контроля.
В процессе исследований физико-механических свойств ТСС, преобразователей и систем определения этих свойств измеряли электрические напряжение и ток, частоту колебаний чувствительных пьезокристаллов и температуру.
Проведены: исследования напряженного состояния внутри ДМ в
широком диапазоне модулей упругости, что является очень сложной
задачей и необходимым условием определения прочности
конструкционных материалов и изделий, а также представляет огромный
иетерес для физики твердого тела, материаловедения, теории упругости,
пластичности и ползучести, влияния деформационных свойств
(сжимаемости) ТСС на достоверность контроля их напряженного
состояния; чувствительности пьезокристаллов к деформациям
растяжения, сжатия, изгиба; исследования влияния электрического
напряжения возбуждения UB0J6. на выходной сигнал
пьезопреобразователей напряжения, функционирование
пьезопреобразователей напряжения при разных видах нагружения и в различных по упругим свойствам средах с последующим проведением сравнительного анализа; исследования влияния высоких и низких температур (-196 * +200)С на работу пьезопреобразователей напряжения; сравнительный анализ напряженного состояния полимеров по теоретическим и экспериментальным результатам; испытания и анализ важнейших характеристик и особенностей применения устройств экспресс - контроля. Для выполнения исследований использовали микроскоп МИМ-7, цифровой вольтметр В7-27А, частотомер 43-33,
электронный мост, генераторы переменного напряжения ГЗ-Ш, ГЗ-131,ГЗ-104, нагружающее механическое устройство ТК-14-250, ПЭВМ, электропривод 4А80А4УЗ, грузопоршневые манометры МТ-600, МП-60, сдвиговой прибор ВСВ-25, мегоомметр МИ-07, барометр - анероид, термошкафы, микрометры и др.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
Разработана математическая модель, отражающая взаимосвязь механической нагрузки в пьезоэлектриках с возникающей при этом напряженностью электрического поля, которая позволяет прогнозировать в разрабатываемых пьезопреобразователях существенное для точности измерения характеристики: чувствительность, линейность, диапазон измерения, управление избирательностью и электроупругостыо, возможность учета упругих свойств контролируемой среды, определение частотных постоянных и параметров эквивалентной схемы.
Проведенный анализ математической модели напряженно-деформируемого состояния тела позволил предложить для оценки практической прочности с учетом условий эксплуатации в качестве критериев: предел упругости, модуль упругости, вязкость и гигроскопичность материалов.
Впервые показано, что использование незакрепленного чувствительного элемента приводит к максимальному повышению чувствительности за счет увеличения частоты резонанса в пьезопреобразователях механических напряжений, представляющих устройства отображения информации о напряженном состоянии контролируемого объекта. Согласно теоремы Котельникова именно увеличение в два раза частоты колебаний (резонансных в данном случае) позволяет передавать информацию без искажений (без изменений) и с максимальной скоростью, что и приводит к максимальному увеличению чувствительности.
Впервые установлено, что диапазон линейности преобразования расширяется за счет возбуждения ППН на частоте антирезонанса fa на 50-60% по отношению к пьезопреобразователю напряжения на частоте резонанса fr, что объясняется увеличением коэффициента электромеханической связи (Ксв) на fa и компенсацией завала АЧХ пьезопреобразователя напряжения.
Показано, что пьезопреобразователи напряжения обладают избирательностью к полезному сигналу за счет выбора вектора напряженности электрического поля (Е), совпадающего с направлением измеряемой компоненты механического напряжения Т. Другие компоненты механического напряжения Т хоть и вызывают заряды, но они быстро стекают и не могут быть измерены, т.к. в их направлении не обеспечиваются динамические колебания.
Впервые предложен оригинальный тип пьезопреобразователей напряжения, который снабжен системой, управления его электроупругости, выравнивающей сжимаемости пьезопреобразователей напряжения и контролируемой среды, что особенно важно при исследованиях сред с нелинейной зависимостью S=f(T), где модуль упругости изменяется при изменениях механических напряжений Т. При этом погрешность измерения уменьшается, т.к. уменьшается искажение силового поля вокруг пьезопреобразователей напряжения.
Экспериментально установлено, что чувствительность (SR) пьезопреобразователей напряжения увеличивается с повышением амплитуды, а также частоты электрического напряжения возбуждения (U,i0!.) и уменьшением его жесткости. Причем, связь чувствительности Sr с напряжением возбуждения Ц^. прямо пропорциональная, а с жесткостью -обратно пропорциональная; повышение напряжения возбуждения UB0J. ограничивается нелинейностью, а уменьшение жесткости - прочностью и диапазоном измерения пьезопреобразователей напряжения. Показано, что в
пьезоэлектриках системы ЦТС нелинейность проявляется при Е=300 В/см. Чувствительность Sr пьезопреобразователей напряжения в материале выше, чем в свободном состоянии на величину концентрации механического напряжения Т вокруг пьезопреобразователей напряжения и составляет 10-15%.
Конструкции разработанных пьезопреобразователей напряжения
обладают высокой чувствительностью Sr (до 180 ), различны по
своим жесткостям и перекрывают ее в диапазоне 5-Ю3 + 1-105МПа, что
дает возможность использовать различные типы пьезопреобразователей
напряжения в зависимости от жесткости среды для повышения точности
измерения.
Создана программа и методика метрологической аттестации пьезопреобразователей напряжения. В метрологическом обеспечении пьезопреобразователей напряжения типа ППН при статических испытаниях прочности ТСС измеренные механические напряжения Т интерпретировались градуировочными данными, полученными при гидростатическом и одноосном нагружениями пьезопреобразователей напряжения. Таким образом, определены относительная погрешность (8,%) и среднеквадратичное отклонение случайный составляющей (а, В) измерения механических напряжений Т в материалах: 5 для всех пьезопреобразователей напряжения и ТСС <2,5%, ао-<0,0028В.
Исследовано влияние высоких и низких температур на работу пьезопреобразователей напряжения. Установлено, что использование кристаллов ниобата лития обеспечивает работоспособность пьезопреобразователей напряжения при температурах -196 ... +80С, а кристаллов кварца-- 20 ...+200С.
Разработано метрологическое обеспечение пьезопреобразователей механических напряжений внутри ДМ.
Разработаны экспресс - методы и системы исследования и контроля вязкости, модуля упругости, гигроскопичности, являющиеся эксплуатационными показателями ТСС, определяющие физические основы технологии получения материалов с определенными свойствами, а также условия переработки полимеров в изделия.
Теоретически выведена и экспериментально подтверждена формула, позволяющая использовать с учетом паспортных данных серийно выпускаемые отечественной промышленностью асинхронные электродвигатели, в качестве первичного преобразователя вязкости (ї|„), которая находится в прямопропорциональной зависимости от потребления электрического тока (I): r)B=f(Kn-I), где Кц - коэффициент, учитывающий паспортные данные электродвигателя. Модуль упругости определяется по квадрату резонансной частоты fj2 упругих колебаний контролируемого материала, а гигроскопичность - использованием эффекта Доплера.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные в работе результаты использованы при инженерной оценке практической прочности материалов и изделий различных отраслей промышленности, представляющих интерес для различных отраслей современной науки и техники а также при решении материаловедческих задач по определению условий переработки полимерных материалов в изделия.
1. Созданы и освоены метод и устройства инженерной оценки прочности материалов и изделий. Внедрение разработанных метода и устройств контроля, рекомендаций, позволило уменьшить в 3-5 раз остаточные напряжения, возникающие в металлопластовых трубах и приводящие к их растрескиванию, и тем самым увеличить их прочность. Применение метода и устройств контроля напряженно-деформируемого состояния в оценке прочности железобетонных плит перекрытий позволило
получить расчетные данные для увеличения мощности установки сорбента — носителя на Новополоцком ПО «Полимир».
Разработана методика исследований напряженно-деформируемого состояния полимеров при литье под давлением, позволившая оценить прочность и изучить влияние внутренних напряжений на условия переработки силанольно-сшивающего полиэтилена. Результаты исследований внедрены при освоении в производстве полимерных композиций на НПП «Пластполимер», а также в учебном процессе Полоцкого государственного университета.
Выработаны рекомендации по проектированию пьезопреобразователей напряжения для оценки прочности в условиях плотного прилегания контролируемой среды, способных работать при высоких и низких температурах -196 ... +200С, а также по использованию их в зависимости от упругих свойств контролируемых сред. Исследования, выполненные по контролю напряженного состояния посредством разработанных устройств пьезопреобразователей напряжения ППН-1, 2, 3, 4, показали возможность использования измеренных механических напряжений Т для оценки прочности полимеров, имеющей важное значение в определении условий их переработки в изделия и эксплуатации.
Разработанные экспресс - методы и системы контроля физико-механических характеристик при испытаниях прочности материалов и изделий использованы в практике анализа свойств полимеров при выходном контроле. Для оценки реологических свойств полимеров высокого давления применено устройство контроля вязкости, обладающее простотой и оперативностью измерения по сравнению с широко используемыми в практике вискозиметрами.
Разработана методика метрологических исследований устройств контроля и проведена оценка погрешности свободных преобразователей (при градуировке) и помещенных в контролируемую
среду. Погрешность результата измерений оценивалась следующими параметрами: среднеквадратическим отклонением случайной
составляющей погрешности о[в], равным 0,005; 0,002; 0,0005; систематической составляющей погрешности Лс[#], равной 0,0085; -0,004; 0,004; вариацией выходного сигнала в[В], равной 0,005; 0,004; 0,002: относительной погрешностью 6[%], равной 2, 1; -0,9; -0,43, соответственно для пьезопреобразователей напряжения ППН-1; ППН-2 и ППН-3. Определены также погрешности измерения механических напряжений Т в ДМ, интерпретированных градуировочными данными, полученными при нагружении преобразователей гидростатическим давлением и одноосным нагружением. Здесь, в отличие от оценки погрешностей измерений при градуировке, были использованы только 2 параметра погрешностей, наиболее часто употребляемые в технике измерений: относительная погрешность и среднеквадратическое отклонение случайной составляющей, которые во всех случаях не превышают, соответственно 2,5%, и 0,002 В.
Проведена метрологическая аттестация пьезопреобразователей механических напряжений ППН, подтверждающая достоверность результатов. Получены свидетельства метрологической аттестации, согласно которым наиболее часто используемые при оценке погрешностей измерений параметры: относительная погрешность и вариация выходного сигнала - равны, соответственно, для ППН-1 -3,1% и 0,005В; для ППН-2 - 0,9% и 0,004В: для ППН-3 - 0,43% и 0,002В.
Подтвержденный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на научно - производственном предприятии «Пластополимер», приведенный к установленному курсу Нацбанка РБ составляет 1,26 млрд. руб. или 109,5 тыс. у.е.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований пьезопреобразователей напряжения, созданных на основе предложенной математической модели, с закрепленными на концах и свободными пьезокристаллами; в т.ч. полученные выражения для частотных постоянных пьезорезонаторов и динамических параметров эквивалентной схемы. Установлено, что пьезопреобразователи контроля напряженного состояния в оценке прочности деформируемых сред с закрепленными пьезокристаллами имеют частоту колебаний f в 2 раза меньше, чем со свободными.
метод повышения чувствительности пьезопреобразователей напряжения при оценке прочности за счет использования незакрепленного чувствительного пьезокристалла и расширение диапазона линейности измерения за счет возбуждения его на частоте антирезонанса fa.
пьезопреобразователи механических напряжений для оценки прочности конструкционных материалов, выполненные как параметрические датчики с пьезотрансформаторной схемой токовыводов, у которых отсутствуют акустические взаимодействие с контролируемой средой, способные измерять статические механические напряжения внутри этой среды за счет модуляции входного сигнала переменным напряжением внешнего источника.
управление селективностью, пьезопреобразователей напряжений ППН достигаемой за счет выбора вектора напряженности переменного электрического поля Е, обеспечивающего колебательный режим и совпадающего с направлением измеряемой компоненты механического напряжения Т; другие компоненты механических напряжений Т не могут влиять на измерение, т.к. находятся в статическом режиме. Динамический же режим обеспечивается только в направлении измеряемой компоненты.
пьезопреобразователи напряжений ППН с управляемой электроупругостью для регулирования их жесткости в процессе измерения для повышения точности и работоспособностью в широком диапазоне температур (-196 ... +200)С.
экспресс-методы и системы исследования и контроля физико-механических свойств, определяющих физические основы технологии получения материалов с определенными свойствами.
Личный вклад соискателя. В настоящей работе систематизирован и обобщен более, чем 20 - летний опыт соискателя по созданию и внедрению рациональных метода и устройств контроля напряженного состояния в инженерной оценке практической прочности твердых сплошных сред, экспресс - методов и устройств контроля физико-механических свойств, учитывающих условия эксплуатации материалов и изделий, а также определяющих условия переработки полимерных материалов в изделия на НПП «Пласполимер» и Новополоцком ПО «Полимир» и других предприятиях и учреждениях.
Основные результаты работ автором получены самостоятельно. При выполнении работы соискателем проведены теоретические исследования и экспериментальные работы по созданию предложенных методов и средств инженерной оценки практической прочности материалов и изделий. Разработаны и внедрены в производство техпроцессы и устройства для осуществления исследовательских испытаний материалов при определении физико-механических свойств ДМ. При создании методов и устройств контроля прочностных характеристик автором выполнены исследования взаимодействия механических нагрузок пьезоэлектриков с возникающей при этом напряженностью электрического поля Е, изучено влияние высоких и низких температур на работоспособность пьезопреобразователей напряжения.
В результате исследований выявлены факторы, влияющие на
чувствительность, диапазон измерения, избирательность,
электроупругость - важнейших характеристик измерительных устройств, влияющих на точность измерения.
Разработаны принципы конструирования устройств контроля механических напряжений Т в оценке прочности ДМ. Проведена классификация разработанных устройств исследования и контроля физико-механических свойств. Создана программа метрологической атгестации и проведена метрологическая аттестация пьезопреобразователей напряжения для оценки прочности ДМ. За разработку устройств исследования и контроля механических напряжений Т соискателем получены серебряная и бронзовая медали ВДНХ СССР.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно -технических конференциях, симпозиумах и конференциях: «Неразрушающие физические методы и средства контроля». (Минск, 1981).; «Положение бетонных смесей и технологические задачи». (Юрмала, 1982); XII конференция молодых ученых и специалистов Прибалтики и Белорусской ССР по проблемам строительных материалов и конструкций. Рига, 1984; XI научно - технической конференции по итогам научно - исследовательских работ. (Новополоцк, 1984); «Экспериментальные исследования инженерных сооружений». (Новополоцк, 1986); «Исследование напряженного состояния железобетонных конструкций в строительстве» (Львов, 1987); «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения», (Новополоцк, 1993); «Ученые и специалисты народному хозяйству», Могилев, 1995), «Научное и аналитическое приборостроение», (Минск, 1995); «Современные проблемы радиотехники, электроники и связи», (Минск, 1995); «Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин», (Новополоцк, 1995); «Экспериментальные исследования и испытания сооружений», (Москва, 1998); «Нелинейные явления в сложных системах», (Минск, 1995);
«Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике» (Минск, 1998); «Методы технического диагностирования и прогнозирования остаточного ресурса конструкций и оборудования, работающего под давлением», (Новополоцк, 1999); «Ультразвуковая техника и технология», (Минск, 1999); «Belarus Congress on theoretical and applied mechanics», (Minsk, 1999); «Актуальные проблемы прочности», (Витебск, 2000); «Геодезия, картография и кадастры», (Новополоцк, 2000); «Современные проблемы микроэлектроники», (Новополоцк, 2000); «Полимермаш - 91», (Киев, 1991); «Использование современных физических методов», (Хабаровск, 1987); «Ресурсосберегающие и экономически чистые технологии», (Гродно, 1996); «Актуальные проблемы прочности», (Калуга, 2004).
Опубликованность результатов. По результатам выполненных исследований опубликованы 75 работ, в том числе 1 монография, 35 статей в научно - технических журналах (из них 30 без соавторства), 4 научных работы в рецензируемых сборниках материалов международных конференций, 29 тезисов докладов на научно - технических конференциях. Получено 6 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений и сокращений, общей характеристики работы, шести глав, выводов, списка использованных источников и 2-х приложений. Работа содержит 284 страницы, из них рисунки на 54 страницах, таблицы на 12 страницах, 23 страницы списка литературных источников. Приложения 27 страниц, содержащие программу метрологической аттестации, расчеты подтвержденной технико-экономической эффективности внедрения работ по диссертации, акты внедрения, свидетельства метрологической аттестации.
Задачи для электроупругих материалов и изделий, решаемые посредством физико-механических испытаний
Точные решения статических задач электроупругости могут быть получены только для ограниченного класса пьезоэлектрических материалов и областей, для которых применимы известные методы классической теории упругости, такие как метод разделения переменных, метод интегральных преобразований и т.д. Для некоторых пьезоактивных материлов приближенное решение статической задачи можно получить с учетом малости явления пьезоэффекта, что позволяет разделить электроупругую задачу на независимые упругую и электростатическую задачи. Такой подход к задачам статики пьезоэлектрических тел был использован в работе З.С. Аграновича и Н.И. Деревянко [2], где рассматривалось тело, не имеющее электрической поляризации в естественном состоянии, но пьезоактивное в деформированном состоянии. Данный материал считался механически изотропным.
Были получены электрические потенциалы полей, возникающих при деформировании бесконечного кругового цилиндра, шарового слоя и кругового диска. Решение осесимметричной задачи электроупругости для полубесконечного пьезокерамического тела при смешанных граничных условиях представлено в работах Б.А. Кудрявцева, В.З. Партона и В.И. Ракитина [46,48]. В них с помощью интегрального преобразования Ганкеля исследуется напряженно-деформированное состояние в окрестности дисковидной трещины. Общая постановка граничных задач электроупругости для пьезокерамических тел с трещинами представлена в работах [45,47,48], где дан анализ электроупругого поля вблизи дисководной трещины и показано, что локальное деформирование материала в окрестности реальной трещины приводит к возникновению значительных электрических полей. Указанные результаты свидетельствуют о необходимости разработки соответствующих критериев электрической прочности пьезоэлектрических материалов с трещинами.
Двумерные статические задачи для пьезоэлектрических материалов
Разработка методов, основанных на упрощении общих уравнений с учетом свойств материала и условий нагружения, занимает важное место в решениях статических задач. По аналогии с теорией упругости эти упрощения часто базируются на использовании различных методов приве дения трехмерных задач статики электроупругого тела к двумерным задачам для пластин или оболочек. В некоторых случаях возможно непосредственное рассмотрение двумерных задач для пьезоэлектрических тел, при которых эффективно используются мощный аппарат теории функций комплексного переменного и хорошо разработанные методы решения плоских задач для анизотропного упругого тела.
В работе И.А. Вековищевой [13] показано, что в кристаллах определенной симметрии может возникать двумерное электрическое поле и плоское деформированное состояние, и тогда общие уравнения статической электроупругости удовлетворяются с помощью трех аналитических функций комплексных переменных. Двумерное напряженное состояние тонкой пьезоэлектрической пластины при условии, что материал пластины обладает в каждой точке плоскостью упругой симметрии, параллельной срединной поверхности, рассматривалось И.А. Вековищевой в работе [13].
Представление общего решения двумерной задачи электроупругости для пьезоэлектрических сред через аналитические функции комплексных переменных дает возможность построить решение ряда краевых задач в виде целых полиномов. В работах [16,19,24] показано, что для простых механических воздействий - растяжения (сжатия), чистого сдвига, поперечного изгиба - соответствующие статические решения могут быть представлены в виде полиномов второй, третьей и четвертой степени. Аналогичные полиноминальные решения существуют также при обратном пьезоэффекте и для некоторых смешанных задач. Уравнения обобщенного двумерного эпектроупругого состояния, полученные И.А. Вековищевой, использовались для определения электроупругого состояния тонкой полубесконечной пластины с прямолинейной границей, на которой распределен электрический заряд и отсутствует механическая нагрузка. Было построено решение для точечного заряда, помещенного в начало координат на границе пластины [16-18]. Обобщение на случай пьезоэлектрических материалов известной двумерной задачи о концентрации напряжений в окрестности эллиптического отверстия в неограниченной пластине представлено в работе В.Ы. Ложкина и Л.Н. Олейника [48,57], где исследовалось распределение напряжений в пьезоэлектрической пластине с малым эллиптическим отверстием при заданных растягивающих и сдвиговых усилиях на бесконечности. Задача решена в предположении, что контур отверстия свободен от внешней механической нагрузки или жестко защемлен. В этой же работе приводится пример, когда явлением пьезоэффекта можно пренебречь.
Анализ частотных характеристик пьезопреобразователей при сжатии и растяже1іии
Изменения параметров ПАВ при воздействиях на подложку механических нагрузок порождаются, как и в случае с температурными воздействиями, изменениями геометрических размеров подложек, а также упругих констант и плотности, ответственных за вариации скорости ПАВ. Чувствительность к механическим воздействиям в существенной степени определяется нелинейными упругими свойствами, которые учитываются в расчетах с помощью упругих модулей 3-го порядка. Это дает лучшее приближение теории к эксперименту как в случае объемно-волновых резонаторов, так и для приборов ПАВ. Но учета одного этого фактора в случае ПАВ недостаточно. Повышение точности расчета достигается, если учитывается характер распределения статических напряжений и деформаций не только вдоль поверхности подложки, но также и в глубь нее [61].
Это играет особенно важную роль, когда создается сложное напряженное состояние, например, изгиб консоли или деформация мембраны с преобразователями ПАВ [61,75]. Как и в случае объемных резонаторов, чувствительность ПАВ к механическим воздействиям можно оценивать коэффициентами силовой чувствительности KF.
Конструкции преобразователей давления на ПАВ отличаются уровнем конструктивной интеграции функциональных элементов [61,71].
Наиболее низким уровнем обладают дискретно-компонентные датчики давления. Основное их отличие состоит в том, что преобразование давления в деформацию ПАВ-преобразователя осуществляется в два этапа: сначала с помощью дискретного упругого элемента (УЭ) давление преобразуется в перемещение либо в усилие, затем это воздействие прикладывается к чувствительному элементу (ЧЭ).
Более высокий уровень интеграции имеют конструкции, в которых подложка с преобразователями на ПАВ служит одновременно и упругим (обычно мембранным) элементом. Дополнительный дискретный УЭ, характерный для классических конструкций, в этом случае, как правило, отсутствует. В тех конструкциях, где он остается, его основной функцией является разделение рабочего объема с ПАВ-преобразователем и среды, в которой измеряется давление. При этом разделительный УЭ - обычно вялая мембрана или сильфон - выполняет функции повторителя давления.
В двух подобных конструктивных вариантах ПАВ-преобразователи выполняются на мембране. Простейший из них - с плоской мембраной, более сложный - с профилированной (интегральной) мембраной: развитая по толщине периферия позволяет в значительной мере устранить влияния нестабильности механических соединений в местах заделки. Возможности снижения погрешностей временного дрейфа и гистерезиса в подобных конструкциях достаточно убедительно продемонстрированы в полупроводниковых датчиках давления [61].
Конструкции с дискретным ЧЭ и плоской мембраной более просты с точки зрения изготовления элементов: ПАВ-преобразователи выполняются по стандартной технологии. Большая сложность SI изготовления датчиков с интегральной мембраной окупается более высоким уровнем достижимых точностей и, что не менее важно, меньшей сложностью процессов сборки.
Несмотря на большое разнообразие конструктивных схем датчиков давления на ПАВ, их применение в настоящее время остается весьма ограниченным. Препятствиями на пути широкого использования этих приборов являются: сравнительно сложная технология чувствительных элементов, требующая применения высокоточных шаблонов, фотолитографического оборудования, высокой культуры производства; требования к чистоте и микроклимату производственных помещений; трудности обеспечения стабильности электронных узлов датчиков из-за относительно высоких частот (приблизительно 100 МГц и выше) и невысокой добротности ПАВ-преобразователей; низкая временная стабильность ПАВ-преобразователей. Даже для лучших приборов временной дрейф частоты лежит на уровне 10 в год, а типичное
"среднее" значение составляет 10" -10 [30].
Учитывая, что полезные изменения частоты в механических ПАВ-датчиках обычно не превышают 0,05-0,1%, можно сделать вывод, что создание датчиков на ПАВ, обладающих погрешностями старения лучше 0,2% за месяц либо 1% за год, представляется труднейшей задачей.
В этой связи наиболее перспективными для применения ПАВ-датчиков давления следует считать задачи, связанные с относительно кратковременными измерениями, когда за время измерений не происходит значительных деградаций рабочих характеристик, в первую очередь нуля датчика.
Экспресс-метод контроля модуля упругости
Из системы уравнений (2.39a) и (2.396) следует, что для измерения интересующей нас компоненты механического напряжения, например, Т , действующей по оси Z, нужно возбудить деформацию одного пьезоэлемента в направлении оси Z, т.е, S3, которая возбуждается только вектором напряженности электрического поля Е3 см. (2.39а) для S3. Тогда в другом пьезоэлементе, колеблющемся в этом же направлении под действием измеряемой компоненты механического напряжения Т3, совпадающей с направлением электрического поля Е3, возникает вектор поляризации Р3 см. (2.396) для Р3.
Действующие компоненты механического напряжения Тг и Т2 также вызывают в пьезоэлементе поляризацию и, следовательно, заряды. Однако, эти заряды быстро стекают и не могут быть измерены, в виду статического режима работы пьезоэлемента в направлении действия Tj и Т2. Динамический режим работы пьезоэлемента обеспечивается только в направлении измеряемой компоненты механического напряжения Т3.
Таким образом, за счет выбора направления вектора напряженности электрического поля Е, совпадающего с направлением измеряемой компоненты напряжения Т, достигается избирательность пьезопреобразователей.
1. Путем математического анализа параметров ППН показано, что преобразователь с закрепленными концами ЧЭ колеблется с частотой в 101 раза меньшей, чем преобразователь со свободными концами ЧЭ. Пьезопреобразователь, кроме ЧЭ, содержит большое число других элементов, которые вызывают резонансы ниже самых низких резонансов отдельного ЧЭ. Поэтому закрепление концов ЧЭ в реальном пьезопреобразователе ведет в уменьшению частоты его резонансных колебаний не в 2 раза, а больше. Например, экспериментальные данные (Гл. 5) показывают, что частота резонансных колебаний ППН-1 с незакрепленным ЧЭ 800 Гц, а с закрепленным ЧЭ 200 Гц, пьеэопреобраэователя ППН-2 с незакрепленным ЧЭ 700 Гц, а с закрепленными концами ЧЭ 200 Гц.
2. Увеличение частоты колебаний ППН в прирезонансной области ведет к увеличению его выходного напряжения и, следовательно, чувствительности. Это видно из частотной характеристики преобразователя на рис. 2.3. построенной на основе уравнения, характеризующего зависимость выходного напряжения преобразователя (UBblx) от частоты колебаний со. Это также подтверждено экспериментально (Гл. 5): ППН-1 при возбуждении напряжением 10 В на частоте 200 Гц имеет при отсутствии нагружения (Т=0) UBblx = 2.48 В и чувствительность (SR) 6.2 мВ/МПа, а при возбуждении на частоте 800 Гц - UBblx =3.595 В при Т=0 и SR =9.2 мВ/МПа; преобразователь ППН-2 при возбуждении напряжением 10 В на частоте 200Гц имеет UBblx=0.998B при Т=0 и SR=4.2 мВ/МПа, а при возбуждении на частоте 700 Гц - UBblx = 1.189В при Т = 0 и SR =12 мВ/МПа.
3. ППН реагирует только на определенную компоненту механического напряжения. Это достигается за счет: - использования в ППН двух пьезоэлементов один из которых возбуждается переменным электрическим полем, а второй - ЧЭ, измеряемой компонентой Т и благодаря колебаниям первого пьезоэлемента; выбора направления электрического поля, совпадающего с действием измеряемой компоненты Т. Действие других компонент Т (мешающих факторов), хотя и вызывает электрические заряды в ЧЭ, не влияет на измерение интересующей компоненты Т, т.к. эти заряды быстро стекают, из-за отсутствия колебаний ЧЭ в направлении этих компонент Т.
Пьезопреонразователи исследования и контроля Напряженного состояния
На рис. 4.4 представлен преобразователь [147,148,170], содержащий чувствительный пьезоэлемент 1, опорные пьезоэлементы 2, силопередающий элемент (корпус) 3. В опорных пьезоэлементах устраиваются электроды 4-7, а в чувствительном - 8 и 9. В силапередающем элементе выполнен
Преобразователь работает следующим образом. К опорным пьезоэлементам 2 подводится переменное напряжение частоты в противофазе так, что если в одном возникают деформации сжатия, то в другом в это время - растяжения, и наоборот. Если механическое напряжение, воздействующее на преобразователь равно нулю, то чувствительный пьезоэлемент 1 будет свободно колебаться в пределах зазоров паза 10, следуя поперечным деформациям вспомогательных пьезоэлементов 2. Если механическое напряжение не равно нулю, то силопередающий элемент 3 деформируется, зазор между чувствительным элементом 1 и гранями паза 10 уменьшается и колебания чувствительного элемента 1 становятся ограниченными гранями кольцевого паза 10. В результате в чувствительном элементе 1 возникают деформации изгиба, вследствие чего с него снимают электрический сигнал. Амплитуда этого сигнала пропорциональна величине нормального механического напряжения. Конструкция преобразователя защищена авторским свидетельством на изобретение [147]. простую конструкцию и может быть использован для измерения постоянных механических напряжений внутри сплошных сред из нелинейно-упругих и пластических материалов [189,197,199,201,203]. Для ППН-3 нелинейность при измерении напряжений в бетоне составляет 0,8 % [34]. Относительно преобразователя ППН-3 были проведены измерения и оценены погрешности, как и для ППН-1 и ППН-2 [34].
Значения модуля упругости конструкций разработанных преобразователей находятся примерно в пределах (5-Ю3 -s-Ю5) МПа, что дает возможность использовать тот или иной тип преобразователя в зависимости от жесткости среды с целью повышения точности измерений.
Система исследований и контроля напряженного состояния в нелинейно-упругой среде с автоматической корректировкой погрешности измерений
При измерении механических напряжений в твердых сплошных средах успешное применение преобразователя в первую очередь зависит от решения вопросов уменьшения искажения напряжений в зоне их включения в среду, т.к. преобразователь напряжений нарушает сплошность среды и возмущает силовое поле из-за несоответствия его деформативных свойств и свойств среды. Картина распределения напряжений в среде вокруг преобразователя зависит от его формы и жесткости [85,89]. Чаще всего преобразователи имеют цилиндрическую форму.
В работах[78,89] рассмотрена задача о концентрации напряжений в однородной упругой среде вокруг преобразователя цилиндрической формы при осесимметричном нагружении равномерной нагрузкой, приведено выражение для коэффициента напряжений радиус преобразователя; h - высота преобразователя; С - модуль упругости преобразователя; С - модуль упругости среды; [іп - коэффициент Пуассона.
Формула (4.1) позволяет проводить анализ искажения механических напряжений, вызванных пьезопреобразователем в контролируемом образце деформируемого материала. Искажение преобразователем измеряемых механических напряжений определяется его формой и размерами (r/h), а также модулем упругости материала преобразователя, т.е. его жесткостью [85,89]. Но если высота и диаметр преобразователя - параметры, фиксированные после изготовления, то жесткость можно изменять в процессе работы преобразователя. Это имеет особенно важное значение для точности измерений напряжений в средах, модуль упругости которых меняется под действием нагрузки.
Устройство (рис. 4.6) содержит мостовую схему 10, усилитель 11, управляющую обмотку электродвигателя 15, фазочувствительный электродвигатель 12, движок потенциометра 16, источник постоянного напряжения 19, устройство для измерения постоянных и медленно изменяющихся напряжений 18, перо самописца 17.
Находясь в вязкоупругой среде, устройство будет давать искаженную информацию о величине механических напряжений, так как величина его деформации будет отличаться от величины деформации окружающей среды. С целью исключения ошибки в измерении, в исследуемую среду помещают тензометр 4 с тензодатчиком 9. При нагружении устройства происходит разбаланс между тензодатчиками 9 и 4. Напряжение разбаланса управляет процессом изменения деформации устройства, поддерживая ее одинаковой с деформацией исследуемой среды [34,71].
