Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок, работающих в экстремальных условиях, например в ракетно-космической техники и атомной промышленности играет датчиковая аппаратура. Одними из основных средств измерения являются датчики вибрации и датчики быстропеременного давления с первичным преобразовательным элементом из пьезоэлектрической керамики. К таким элементам предъявляются достаточно жесткие требования по механической надежности и по стабильности метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения, сохранения работоспособности при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.
Промышленный выпуск пьезоэлектрических преобразователей (ПП) осуществляют за рубежом десятки фирм, среди которых наибольшую известность имеют "Bruel & Kjear" (Дания), "Endevco" (США), "Kistler" (Швейцария), "Vibrometer" (Германия), "ONO Sokki" (Япония) и др. В России пьезопреобразователи выпускаются на предприятиях ОАО «Элпа» (г. Зеленоград) и ОАО «Аврора-Элма» (г. Волгоград) в интересах гидроакустики, акустоэлектроники, бытовой техники. Однако использование этих преобразователей для работы в экстремальных условиях весьма проблематично из-за специальных требований, обусловленных условиями эксплуатации датчиков (высокие и низкие температуры, высокая радиация и высокие давления, большие уровни вибрации). В НКТБ «Пьезоприбор» эта задача решена в научном плане путем создания многослойных монолитных конструкций преобразователей, защищенных от действия «паразитной» вибрации. В тоже время быстрорастущие требования к качеству и надежности таких преобразователей потребовали дополнительной постановки специальных программ, в которых планировалось найти решения по обеспечению стабильности работы изделий в экстремальных условиях эксплуатации.
Актуальной задачей являются исследования по разработке новых
конструкций пьезоэлектрических преобразователей и новой технологии их
изготовления, обеспечивающей получение более высоконадежных и
высокоэффективных датчиков, представляющих достоверную
измерительную информацию о состоянии и работоспособности сложных технических объектов.
Целью работы является решение научной задачи по созданию пьезоэлектрических преобразователей для датчиков, эксплуатируемых в экстремальных условиях и обеспечивающих измерение вибрации и быстропеременного давления, а также исследование характеристик этих преобразователей.
Задачи диссертационной работы
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
проведение анализа и выбор пьезокерамических материалов,
предназначенных для конструирования пьезоэлектрических
преобразователей, способных работать в экстремальных условиях;
- разработка методом конечных элементов конструкций пьезоэлектрических
преобразователей, обеспечивающих измерение и контроль параметров
изделий в экстремальных условиях;
разработка новых технологий изготовления пьезоэлектрических преобразователей, обеспечивающих измерение вибрации и быстропеременного давления в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов; Методы исследований. При решении перечисленных научных задач использованы основные положения физики твердого тела, теории упругости, сопротивление материалов и методы математического моделирования физических процессов в твердотельных сегнетоэлектрических структурах.
Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планировании эксперимента и статистической обработке полученных результатов.
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:
- разработаны высокоэффективные биморфные преобразователи и обоснован
выбор конструкций чувствительных элементов и технологии их получения
для датчиков вибрационного ускорения при работе в экстремальных
условиях (патент РФ 2212736, МІЖ7 Н OIL 41/083, G 01Н11/08, Н 04R 17/00
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь / Доля В.К., Вусевкер В.Ю.,
Панич А.Е.; заявитель и патентообладатель Научное конструкторско-
технологическое бюро «Пьезоприбор» Ростовского государственного
университета. - № 200030659; заявл.12.11.2001; опубл.20.09.2003, Бюл. № 26,
4с);
разработаны физико-технологические принципы построения преобразователей для трехкомпонентных датчиков контроля вибрации атомного энергетического оборудования (патент РФ230142, МПК7 G 01 Р 15/09 Пьезоэлектрический акселерометр /Вусевкер В.Ю., Панич А.Е., Филиппов Е.В., Цеханский К.Р., Войтенко В.Б.; заявитель и патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования» Ростовский государственный университет".-№2005141270/28 заявл.28.12.2005; опубл. 20.06 2007, Зс); - сформулирована конечно-элементная модель пьезоэлектрического датчика пульсации давления, на основе математического моделирования которой получены конструкции чувствительных элементов для указанных датчиков;
разработана конструкция виброзащищенного пьезоэлектрического преобразователя для датчиков быстропеременного давления (патент РФ
2215275 Бутов В.И., Вусевкер В.Ю., Мокров Е.А., Панич А.Е. Пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления. Опубликован 27.10.2003, бюл. №30,4с);
Практическая значимость результатов.
Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в НКТБ «Пьезоприбор» и способствует решению актуальной научно-технической задачи - созданию высоконадежных и высокоэффективных датчиков, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
-
Достигнуто снижение трудоемкости в четыре раза за счет введения в технологический процесс операции термокомпрессионной сварки на серебре, которая позволяет исключить склейку многослойных пьезоэлектрических преобразователей, что увеличивает надежность и температурную стабильность чувствительных элементов датчиков вибрации и быстропеременного давления.
-
Впервые решена задача измерения вибрации в трех взаимно перпендикулярных направлениях одним датчиком.
3. Создана конструкция пьезоэлектрического трехслойного преобразователя
изгибного типа, обеспечивающего на 25% большую пьезоэлектрическую
чувствительность при тех же массогабаритных характеристиках.
Реализация и внедрение результатов работы
В результате теоретических и экспериментальных исследований повышена пьезоэлектрическая чувствительность пьезопреобразователей изгибного типа, на базе которых сконструированы датчики вибрации, серийно выпускаемые на предприятии ОАО «НПО ИТ» (г. Королев) (акт внедрения №43/12).
Предложенная конструкция ПП с разнонаправленной поляризацией позволила создать датчик вибрации с одним инерционным грузом. Данная конструкция внедрена и применяется при серийном выпуске датчиков 2ПА-61, 2ПА-25 и 2ПА-6Т. Эти датчики используются при контроле вибрации тепловыделяющих элементов в атомных реакторах и для контроля вибрации трубных систем теплообменного оборудования. Датчики 2ПА-24 применяются для одновременного измерения двух составляющих вибрации деталей и узлов машин. На основе трехкомпонентных ПП выпускаются датчики ЗПА-40ТК и ЗПА-51, обеспечивающие одновременное измерение вибрации в трех направлениях. Указанные разработки внедрены на предприятии ФГУП ЦНИИТМАШ (г. Москва).
Разработанные ПП для датчиков быстропеременного и акустического давления не чувствительных к вибрации имеют обратимые изменения коэффициента преобразования не выше 10% и обладают преимуществом по пьезоэлектрической чувствительности более чем в четыре раза по сравнению с аналогами ДХС-514 и ЛХ-511. На основе данной разработки начат
серийный выпуск аппаратуры аварийной защиты для ракетно-космической
техники на предприятии ОАО НИИФИ (г. Пенза).
Основные положения и результаты выносимые на защиту.
-
Математическая модель, математическое моделирование и расчет конструкций многослойных монолитных ПП методом конечных элементов для датчиков вибрации, быстропеременного и акустического давления.
-
Результаты исследований характеристик ПП изгибного типа, обладающих повышенной прочностью для возможности работы в экстремальных условиях эксплуатации.
-
Результаты разработки конструкции ПП для датчиков вибрации из различных пьезокерамических материалов, работоспособных в диапазонах температур минус 196-300 С (ЦТС-83Г), минус 196-500 С (НТВ-1) и обеспечивающим пьезоэлектрическую чувствительность: 2200 пКл/Н (ЦТС-83Г), 100 пКл/Н (НТВ-1);
-
Метод термокомпрессионной сварки, обеспечивающий необходимую жесткость и монолитность ПП, снижающий влияние механических напряжений на метрологические характеристики и расширяющий рабочий температурный диапазон;
-
Результаты исследования и разработки конструкции трехсекционного ПП, предназначенного для датчика измерения вибрации в трех взаимно-перпендикулярных направлениях.
-
Результаты исследования и разработки конструкции пьезоэлектрического преобразователя быстропеременного давления, защищенного от воздействия «паразитной» вибрации и обеспечивающего измерение давления сверхмалых уровней при воздействии высоких значений статического давления и температуры.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на
следующих технических конференциях и симпозиума: IX международном
симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики
конструкций и сплошных сред» 2003г., г. Москва; VIII международном
симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики
конструкций и сплошных сред» 2002г., г. Москва; Международной научно-
практической конференции «Фундаментальные проблемы
пьезоэлектрического приборостроения», Пьезотехника-2003, 2003г., г.
Москва; Международной научно-практической конференции
«Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения»,
Пьезотехника-2002, 2002г., г. Москва; Международной научно-практической
конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического
приборостроения», Пьезотехника-2000, 2000г., г. Москва; XXI научно-
технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и
высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2002г.; XXII научно-
технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и
высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2003г.; XXIII научно-
технической конференции молодых специалистов «Наукоемкие проекты и высокие технологии XXI века», г. Пенза, НИИФИ, 2004г.; VI научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий», г. Анапа, 2008. Публикации.
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 2 в журнале входящим в перечень ВАК, получено 5 патентов России на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, иллюстрируется 79 рисунками, состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 84 наименований.
