ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УДАРА
PIEZOELECTRIC SHOCK PICK-UP

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к пьезоэлектронике, преобразователям механической энергии в электрическую энергию, датчикам удара и др.
Общеизвестное применение пьезоэлектрических элементов использует то обстоятельство, что при деформации пьезоэлемента в нем происходит перенос заряда - прямой пьезоэффект. С другой стороны, пьезоэлементы служат также для того, чтобы целенаправленно оказывать воздействие на деталь, в частности деформировать ее, когда на пьезоэлемент, наоборот, подают напряжение и используют возникающую при этом деформацию - обратный пьезоэффект.
Известен пьезоэлектрический датчик-преобразователь механической энергии в электрическую энергию за счет деформации пьезокерамического элемента при механических воздействиях (ударах).
Известен пьезоэлектрический актюатор-преобразователь прикладываемых к нему электрических сигналов в механические усилия.
Широко известно применение пьезоэлектрических датчиков в системах диагностики автомобиля и системах автосигнализации.
Механические воздействия поршня на корпус в двигателе внутреннего сгорания вызывают механические колебания корпуса двигателя, которые в рабочем теле датчика детонации - пьезокерамическом элементе - преобразуются за счет прямого пьезоэффекта в электрический сигнал. Пьезоэлектрические датчики используют для регистрации удара и срабатывания систем безопасности в автомобилях.
К недостаткам данных конструкций относятся слабая чувствительность к малым механическим воздействиям, большой вес и отсутствие возможности оценить величину воздействия.
Возникающий при механическом воздействии на пьезодатчик заряд Q определяется по формуле
ij
Q=F·d,
где F - сила,
ij
d - величина пьезомодуля.
ij
33
Для пьезокерамических датчиков связностью 3-0, представляющих собой пористую пьезокерамику с закрытыми порами или полостями, заполненными второй фазой, определяющим является продольный пьезомодуль, следовательно, d=d.
При проведении измерений регистрируемой величиной является разность потенциалов U, возникающая на электродах рабочего тела датчика
U=Q/C,
<mrow><mi>C</mi><mtext>~k</mtext><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup></mrow>
где С - емкость рабочего тела датчика, причем
, где
- абсолютная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического материала рабочего тела датчика, следовательно,
<mrow><mi>U</mi><msub><mrow><mtext>~Fkd</mtext></mrow><mrow><mtext>33</mtext></mrow></msub><mo>/</mo><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup><mo>=</mo><mi>F</mi><mi>k</mi><msub><mi>g</mi><mrow><mn>33</mn></mrow></msub></mrow>
,
где k - коэффициент, определяемый геометрией рабочего тела датчика, свойствами измерительной схемы;
33
g - пьезоэлектрический коэффициент напряжения пьезоэлектрического материала рабочего тела (пьезочувствительность).
Минимальные регистрируемые значения силы F определяются минимальными значениями измеряемой величины U, зависящей от многих факторов, поэтому взаимно-однозначное соответствие между измеряемой величиной U и действующей силой F определяется экспериментально. Этот процесс называется тарировка, (калибровка, градуирование). В качестве определенной воздействующей величины используют, например, импульс воздействия твердого тела (шарика) определенной массы, который бросают на датчик с известной скоростью (с определенной высоты) и строят тарировочный график зависимости U от mV, где m - масса шарика, V - скорость при ударе.
Многофакторность зависимости регистрируемой действующей силы F от измеряемой в пьезоэлектрическом датчике разности потенциалов U позволяет сделать вывод, что для достижения высокой точности измерений пьезоэлектрическим датчиком удара необходимо проводить его тарировку перед каждым измерением.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в создании датчиков удара с повышенной пьезочувствительностью при минимальном весе, с возможностью тарировки и проверки работоспособности датчика даже в условиях отсутствия гравитации.
33
Поставленная задача решается наличием в пьезоэлектрическом датчике удара рабочего тела, выполненного из пьезоэлектрического композита связностью 3-0 на основе пьезокерамики с максимальным значением пьезочувствительности g, причем поверхность рабочего тела механически соединена с поверхностью пьезоэлемента - резонатора для тарировки; еще одним отличительным признаком является то, что резонатор для тарировки выполнен в виде многослойного пьезоэлемента.
33
Важнейшей характеристикой пьезоэлектрических элементов является пьезочувствительность g
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>d</mtext><mrow><mtext>33</mtext></mrow></msub><mtext>/</mtext><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup></mrow>
33
Существенно повысить пьезочувствительность позволяет переход к композиционным материалам за счет значительного снижения диэлектрической проницаемости пьезоэлектрического материала рабочего тела датчика ε по сравнению с плотным сегнетоактивным материалом.
33
33
33
33
v
v
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup></mrow>
Использование в качестве рабочего тела датчика пьезоэлектрического композита связностью 3-0 на основе пьезокерамики с максимальным значением пьезочувствительности g (в настоящее время согласно ОСТ 110444-87 наибольшие значения g у материала ЦТС-36) обеспечивает максимальную чувствительность датчика при минимальном, за счет пористости, весе при сохранении достаточной для изготовления рабочего тела датчика механической добротности. Зависимости от пористости характеристик пьезоэлектрического композита связностью 3-0 на основе пьезокерамик приведены на Фиг.1. Продольный пьезоэлектрический модуль d при увеличении пористости до 40% практически не меняется (Фиг.1а), а относительная диэлектрическая проницаемость
уменьшается (Фиг.1б), значение коэффициента пьезочувствительности g увеличивается при увеличении пористости (Фиг.1в). Повышения объемного пьезомодуля d (Фиг.1а) при одновременном снижении
(Фиг.1б) сопровождается резким возрастанием значений объемной пьезочувствительности g с соответствующим повышением эффективности пьезоматериала в режиме приема.
31
Использование в качестве рабочего тела датчика пьезоэлектрического композита связностью 3-0 на основе пьезокерамики обеспечивает также повышенное затухание нежелательных поперечных колебаний в рабочем теле датчика, так как величина поперечного пьезомодуля d при увеличении пористости уменьшается (Фиг.1а).
При приложении к пьезоэлементу-резонатору разности потенциалов происходит перестройка доменной структуры и увеличение размера Н пьезоэлемента на величину ΔН (удлинение пьезоэлемента). Центр тяжести пьезоэлемента перемещается на величину L=ΔH/2 за время перестройки доменной структуры, приобретая в конце движения скорость V и импульс mV, который передается пьезоэлектрическому рабочему телу датчика (Фиг.2).
Для пьзоэлемента-резонатора строится градуировочная зависимость величины импульса mV от прикладываемой разницы потенциалов.
Тарировку пьезоэлектрического датчика проводят путем изменения прикладываемой к пьезоэлементу-резонатору, механически соединенному с рабочей поверхностью датчики, разницы потенциалов, используя при этом ранее полученную градуировочную зависимость.
Расширение диапазона достоверных измерений пьезоэлектрического датчика напрямую связано с возможностями пьезоэлемента-резонатора к удлинению.
Использование для тарировки многослойного пьезоэлемента на порядки увеличивает диапазон изменения размеров пьезоэлемента при приложении к электродам разности потенциалов U, что поясняется следующими примерами.
Удлинение пьезоэлемента ΔН для случая монолитного пьезоэлемента-резонатора (Фиг.3а) определяется по формуле
33
4
-12
-8
ΔН=Н·Е·d=0,01 м·10 В/м·400·10 м/В=4·10 м=0,04 мкм,
где Н=0,01 м - длина пьезоэлемента,
4
Е=U/Н=10 В/м - напряженность электрического поля в пьезоэлементе,
U=100 В - разность потенциалов,
33
-12
d=400·10 м/В - значение продольного пьезомодуля.
-6
Многослойный пьезоэлемент-резонатор (МПЭ) состоит из слоев пьезокерамики толщиной h=5 0 мкм=50·10 м между металлическими электродами толщиной 3-5 мкм, слои механически соединены последовательно, а электрически параллельно, как конденсатор (Фиг.3б). При подаче напряжения 100 В напряженность поля в  керамических слоях МПЭ достигает 2 кВ/мм, и изменение толщины каждого слоя складывается в увеличение ΔН длины пьезоэлемента Н.
Удлинение пьезоэлемента ΔН для случая многослойного пьезоэлемента-резонатора (Фиг.3б) определяется по формуле
33
6
12
-6 м
ΔН=Н·Е·d=0,01 м·2·10 В/м·400·10 м/В=8·10=8 мкм,
где Н - длина пьезоэлемента,
6
Е=U/h=1·10 В/м - напряженность электрического поля в пьезоэлементе,
U=100 В - разность потенциалов,
h - толщина слоя пьезокерамики,
33
-12
d=400·10 м/В - значение продольного пьезомодуля.
Таким образом, использование для тарировки многослойного пьезоэлемента увеличивает диапазон изменения размеров пьезоэлемента при приложении к электродам разности потенциалов U более чем на два порядка (в 200 раз).
p
Теоретические расчеты напряжений, возникающих при приложении к пьезоэлементу-резонатору напряжения U,равного 100 В и 1 В для рабочего тела 30×25×1 мм из композита 3-0 на основе материала ЦТС-36П и пьезоэлемента-резонатора - 50-ти слойного монолитного пьезоэлемента, приведены в Таблице 1.
Возникающие напряжения 427 В и 4,27 В отличаются в 100 раз и могут быть измерены.
33
Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: наличие в пьезоэлектрическом датчике удара рабочего тела, выполненного из пьезоэлектрического композита, связностью 3-0 на основе пьезокерамики с максимальным значением коэффициента напряжения g и механически соединенного с поверхностью рабочего тела пьезоэлемента-резонатора для тарировки; еще одним отличительным признаком является то, что резонатор для тарировки выполнен в виде многослойного пьезоэлемента.
Примеры осуществления изобретения поясняются с помощью прилагаемых чертежей Фиг.1-3, Таблица 1.
Фиг.1а. Зависимость пьезомодулей d от пористости р керамики с закрытой пористостью.
33
d - продольный пьезомодуль;
v
d - объемный пьезомодуль;
31
d - поперечный пьезомодуль.
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mtext>33</mtext></mrow><mtext>T</mtext></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
Фиг.1б. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости
от пористости р керамики с закрытой пористостью.
33
Фиг.1в. Зависимость пьезочувствительности g от пористости р керамики с закрытой пористостью.
Фиг.2. Заявляемый пьезоэлектрический датчика удара, где:
33
1 - рабочее тело датчика, выполненное из пьезоэлектрического композита, связностью 3-0 на основе пьезокерамики с максимальным значением коэффициента напряжения g,
2 - рабочая поверхность пьезоэлектрического рабочего тела датчика,
3 - пьезоэлемент-резонатор для тарировки,
4 - перемещение центра тяжести пьезоэлемента при подаче на него разности потенциалов (напряжения),
5 - импульс, возникающий при перемещении, и импульс отдачи.
Фиг.3. Конструкция пьезоэлемента-резонатора для тарировки: а) монолитный пьезоэлемент-резонатор, б) многослойный пьезоэлемент-резонатор.
р
Таблица 1. Теоретические расчеты напряжений, возникающих при приложении к пьезоэлементу-резонатору напряжения U, равного 100 В и 1 В для рабочего тела 30×25×1 мм из композита 3-0 на основе материала ЦТС-36П и пьезоэлемента-резонатора - 50-ти слойного монолитного пьезоэлемента.
Осуществление изобретения.
Выбор материалов и сборка на конкретном примере.
Из пьезокерамических материалов, включенных в ОСТ 11 0444-87, максимальным значением пьезочувствительности характеризуется пьезокерамика ЦТС-36
33
33
33
-12
-12
-4
g=d/ε=221·10 Кл/Н/(700 8,85 10 Ф/м)=357·10 В·м/Н
Пьезоэлектрический композит связностью 3-0 на основе пьезокерамики ЦТС-36 имеет обозначение как пористая пьезокерамика ЦТС-36П и характеризуется меньшей на 23% плотностью и большим значением коэффициента напряжения
33
33
33
33
33
-12
-12
-4
g=d/ε=176·10 Кл/Н/(462 8,85 10 Ф/м)==540·10 В·м/Н (Значения d и ε получены экспериментально и близки к значениям, приведенным на сайте ОАО «НИИ Элпа» [http://www.elpapiezo.ru/porous.shtml]).
-0,2
-0,2
-0,01
-0,2
-0,2
Рабочее тело датчика изготавливают из пористой пьезокерамики ЦТС-36П в виде пьезоэлемента-пластины размерами 30 × 25 × 1,0 мм, со сплошной металлизацией плоскостей 30 × 25 мм и поляризацией в направлении, перпендикулярном плоскостям.
Многослойный пьезоэлемент-резонатор для тарировки изготавливают по технологии с применением пленочного литья, когда из порошка пьезокерамики с раствором органической связки приготавливают шликер, который через фильеру льют на движущуюся поверхность, подсушивают и получают гибкую, тонкую "сырую" пленку из порошка пьезокерамики и органической связки толщиной 60 мкм; "сырую" пленку разрезают на заготовки, каждую покрывают через сеткотрафарет металлосодержащей пастой; заготовки в количестве 50 штук складывают друг на друга в пакет, причем внизу и вверху пакета находятся по 2-4 слоя неметаллизированной пленки; пакет прессуют и разрезают на многослойные "сырые" заготовки, каждая из которых размерами 7,2×7,2×3,2 мм состоит из 50 слоев "сырой» керамической пленки с металлосодержащей пастой, термическая обработка превращает "сырые" заготовки в спеченный 50-ти слойный монолит размерами 6 х 6 х 2,5 мм из чередующихся слоев керамики толщиной 50 мкм и внутренних электродов толщиной 3-5 мкм, четные и нечетные слои которых выходят на противоположные боковые поверхности, где их соединяют наружными электродами так, что спеченный 50-ти слойный монолит представляет собой конденсатор с прокладками из керамики; приложением к боковым электродам постоянного электрического поля напряжением 100-120 В при температуре 100°С керамику поляризуют; образуется 50-ти слойный монолитный пьезоэлемент с изолирующими слоями по торцам сверху и снизу. Этот многослойный пьезоэлемент шлифуют с торцов и соединяют, например приклеивают, предпочтительно близко от центра, к поверхности рабочего тела датчика удара.
Пьезоэлектрический датчик удара может быть изготовлен на стандартном оборудовании производства пьезоэлектрической керамики.
Таблица 1
Формулы и параметры
Значения для U<sub>p</sub>=100 В
Значения для Uo=1B
Параметры пьезоэлемента-резонатора
Число пьезоэлементов n
n=50
n=50
Плотностью ρ
8·10<sup>3 </sup>кг/м<sup>3</sup>
8·10<sup>3 </sup>кг/м<sup>3</sup>
Толщина слоя пьезокерамики h
50·10<sup>-6</sup> м
50·10<sup>-6</sup> м
Масса m=(а×а×H)·p
(6×6×2,5)×8=720·10<sup>-6</sup> кг
(6×6×2,5)×8=720·10<sup>-6</sup> кг
Сторона резонатора а
6·10<sup>-3</sup> м
6·10<sup>-3 </sup>м
Высота резонатора Н
2,5·10<sup>-3 </sup>м
2,5·10<sup>-3</sup> м
d<sub>33</sub>
400·10<sup>-12</sup> Кл/Р
400·10<sup>-12 </sup>Кл/Н
Напряжение на резонаторе U<sub>p</sub>
100 В
1В
E=U<sub>p</sub>/h
100B/0,05 м=2·10<sup>3 </sup>В/м
1B/0,05 м=2·10<sup>1</sup> В/м
ΔН=Н·Е·d<sub>33</sub>
2,5·10<sup>-3 </sup>м·2·10<sup>3 </sup>В/м 400·10<sup>-12 </sup>Кл/Н=2·10<sup>-6</sup> м
2,5·10<sup>-3</sup> м·2·10<sup>1</sup> В/м 400·10<sup>-12</sup> Кл/Н=2·10<sup>-8 </sup>м
L=ΔH/2
1·10<sup>-6 </sup>м
1·10<sup>-8</sup> м
Скорость звука в резонаторе С
≈3·10<sup>3</sup> м/с
≈3·10<sup>3 </sup>м/с
Время "поляризации" τ=h/C
50·10<sup>-6</sup> м/3·10<sup>3</sup> м/с≈17·10<sup>-9 </sup>с
50·10<sup>-6</sup>/3·10<sup>3</sup> м/с≈17·10<sup>-9 </sup>с
Ускорение <i>а</i>=2L/τ<sup>2</sup>
2·10<sup>-6 </sup>м/(17)<sup>2</sup>·10·<sup>-18 </sup>c≈6,92·10<sup>9</sup> м/с<sup>2</sup>
20·10<sup>-9</sup> м/(17)<sup>2</sup>·10<sup>-18 </sup>c≈6,92·10<sup>7</sup> м/с<sup>2</sup>
Скорость V центра тяжести в конце движения V=<i>а</i>τ
≈6,92·10<sup>9</sup> м/c<sup>2</sup>·17·10<sup>-9</sup> с=117,6·м/с
=6,92·10<sup>7</sup> м/с<sup>2</sup>·17·10<sup>-9</sup> с=1,176 м/с
Импульс p=mV
р=720·10<sup>-6</sup> кг·117,6 м/с=84,67·10<sup>-3 </sup>кг·м/c
P=720·10<sup>-6</sup> кг·1,176 м/c=84,67·10<sup>-5</sup> кг·м/c
p=FτСила F=р/τ
(0,08467 кг·м/с)/17·10<sup>-9</sup>≈4,981·10<sup>6</sup> Н
84,67·10<sup>-5</sup> кг·м/c/17·10<sup>-9 </sup>c=4,981·10<sup>4 </sup>H
Сила F=m<i>a</i>
720·10<sup>-6</sup> кг·6,92·10<sup>9 </sup>м/c<sup>2</sup>=4982,4·10<sup>3 </sup>м/с<sup>2</sup>=≈4982,4·10<sup>3</sup> Н
≈720·10<sup>-6</sup> кг 6,92 10<sup>7</sup> м/с<sup>2</sup>=49824 10<sup>-12 </sup>кг м/с<sup>2</sup>=49,82·10<sup>3</sup> Н
Параметры рабочего тела
Плотность ρ, ·10<sup>3</sup> кг/м<sup>3</sup>
5,85
5,85
Толщина пьезоэлемента h, 1·10<sup>-6 </sup>м
1
1
Масса m=(a×a×h) р=(30×25×1) 5,85·10<sup>-6</sup> кг
=30*25*1*5.85·10<sup>-9</sup>·10<sup>3</sup> кг=4,39·10<sup>-3</sup> кг
-30*25*1*5.85·10<sup>-9</sup> кг =4,39·10<sup>-3 </sup>кг
Емкость С, Ф (эксперимент)
3500·10<sup>-12</sup>
3500·10<sup>-12</sup>
d<sub>33</sub> (эксперимент)
300·10<sup>-12</sup> Кл/Н
300·10<sup>-12 </sup>Кл/Н
Возникающий заряд Q=F·d<sub>33</sub>
4982,4·10<sup>3 </sup>Н·300·10<sup>-12 </sup>Кл/H=1494·10<sup>-6 </sup>Кл
49,8·10<sup>3</sup> H·400·10<sup>-12 </sup>Кл/H=14,94·10<sup>-6 </sup>Кл
Напряжение U=Q/С
=1494·10<sup>-6 </sup>Кл/3500·10<sup>-12</sup> Ф≈0.427·10<sup>3 </sup>В
=14,94·10<sup>-6 </sup>Кл/3500·10<sup>-12</sup> Ф≈4.27B