Датчик низкоамплитудных апериодических вибраций на основе пленочного чувствительного элемента
LOW-AMPLITUDE APERIODIC VIBRATION SENSOR BASED ON A FILM SENSING ELEMENT

Изобретение относится к технике для измерения механических вибраций путем преобразования входящего возмущения в электрический сигнал, а конкретнее к области датчиков для электрических измерений виброакустических параметров, в т.ч. при единичных или случайных низкоамплитудных возмущениях.
Измерение низкоамплитудных апериодических, в т.ч. случайных и единичных вибраций востребовано для применения в системах безопасности (обнаружение фактов проникновения и механического вмешательства в работу аппаратов и приборов), сейсмографии (определение малых колебаний поверхностных слоев почв и земной коры в общем случае), навигации, в частности, воздушной (своевременное обнаружение отклонений курса за счет турбулентностей, микроударов и т.п.) Известно значительное число способов принципиального решения подобного класса задач с помощью магнитных, электромагнитных, магнитострикционных приборов, датчиков на поверхностных акустических волнах, оптоволоконных и оптических датчиков. Большинство используемых методов подразумевает необходимость тонкой настройки, ограниченные деформационные возможности активных элементов, невозможность перенастройки датчика на другую основную частоту колебаний, сложность калибровки.
Подобных недостатков лишены пьезоэлектрические и тензорезистивные датчики, в настоящее время крайне ограниченно использующиеся в целевой области применения. Существующие безусилительные датчики с резонансными пьезокерамическими элементами отличаются недостаточно качественной работой в условиях случайных и одиночных вибраций переменной частоты, т.к. обладают сложным спектром акустических колебаний, что усложняет обработку сигнала. Также существующие датчики имеют высокий акустический импеданс, что дополнительно усложняет акустический спектр за счет вторичных отражений сигнала. Также существующие датчики не могут быть перенастроены на другие частоты, т.к. используемые в них пьезокерамические резонаторы конструктивно предназначены для работы на одной основной частоте.
Из уровня техники известен пьезоэлектрический акселерометр (1) (Патент SU № 558220), содержащий основание, инерционный груз и пьезопреобразователи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, его основание выполнено в виде набора дисков, соединенных прокладками по опорным поверхностям и образующих монолитный пакет; инерционный груз выполнен в виде нескольких отдельных элементов, расположенных на дисках основания; пьезопреобразователи выполнены в виде отдельных элементов, расположенных между дисками основания и элементами инерционного груза, причем оси поляризации преобразователей направлены в одну сторону, а элементы груза электрически соединены между собой.
Недостатками пьезоэлектрического акселерометра являются: необходимость в наличии дополнительной механической компенсационной схемы, что заметно увеличивает массу акселерометра и усложняет конструкцию, использование пьезокерамики, что ограничивает частотно-временной интервал детектируемых воздействий и усложняет корректную обработку сигнала при слабых воздействиях.
Также из уровня техники известен акустический датчик (2) (Патент RU 2498525), содержащий пьезоэлектрическую подложку, общий электрод, расположенный на одной стороне пьезоэлектрической подложки, набор первых электродных структур, расположенных на противоположной стороне пьезоэлектрической подложки относительно общего электрода, причем каждая первая электродная структура расположена радиально относительно условной центральной точки и содержит набор электродных элементов, расположенных по окружностям, при этом указанные первые электродные структуры расположены с возможностью выбора одной или более групп электродных элементов из заданной первой электродной структуры, с тем, чтобы настроить указанную первую электродную структуру на заранее определенный частотный диапазон, при этом каждая указанная первая электродная структура размещена в заранее определенном радиальном направлении относительно указанной условной центральной точки, так чтобы настроить каждую указанную первую электродную структуру на сигналы, имеющие соответствующую направленность. В качестве активного элемента могут использоваться пьезокерамики или электроактивные полимерные материалы. Датчик предназначен для работы на частотах от 20 кГц до 20 МГц.
Недостатками акустического датчика являются: сложная архитектура, что усложняет настройку и калибровку датчика, делает его дорогостоящим; использование эффекта поверхностных акустических волн в основе принципа работы, что ограничивает частотный интервал работы не менее 20 кГц и делает датчик неприменимым для низкочастотных вибраций и высоких времен импульса, полезных в составе систем безопасности, сейсмологии и предупреждения проникновения.
Наиболее близким по технической сущности устройству (прототипом) является пьезоэлектрический датчик (3) (Патент RU 2262157), содержащий чувствительный элемент из тонкопленочного пьезоэлектрического материала с электродами на противоположных поверхностях, вектор поляризации которого перпендикулярен электродам, и плоскопараллельные токовыводы, разделенные между собой диэлектрическим слоем и электрически соединенные с электродами, отличающийся тем, что чувствительный элемент размещен внутри симметричной полосковой линии, проводники которой служат токовыводами датчика, при этом электроды чувствительного элемента параллельны проводникам этой линии, дополнительно введен по крайней мере один акустический волновод, расположенный вплотную к поверхности чувствительного элемента с электродом. Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении разрешающей способности датчика приблизительно на порядок величины, а также увеличении отношения сигнал/шум.
Недостатком пьезоэлектрического датчика является отсутствие возможности настройки на узкий интервал времен воздействия (зашумленность сигнала при многократных случайных взаимонакладывающихся разночастотных воздействиях), отсутствие экранирования внешних электромагнитных помех, широкополосность (сложность обработки сигнала).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании датчика низкоамплитудных апериодических вибраций на основе пленочного чувствительного элемента, позволяющего детектировать низкочастотные случайные и единичные колебания различной длительности в предварительно заданном и перенастраиваемом интервале частот.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, состоит в значительном снижении потерь на отражение сигнала, подавлении вторичных резонансов и шумов в области низких частот и повышение чувствительности на 1-2 порядка по сравнению с безусилительными схемами реализации датчиков вибрации.
Технический результат достигается за счет того, что чувствительный элемент (104) датчика изготавливается по схеме на фиг. 2 и представляет собой электроактивную полимерную пленку (203) с нанесенными контактами на обе поверхности. Предпочтительно пленка представляет собой поляризованный пьезоэлектрик на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и его сополимеров с серебряными контактами или контактами на основе иных металлов, графита, графена, графена и серебра, например контактами, нанесенными по известному способу (6) (Патент RU 2662535), однако предпочтительным способом реализации изобретения является нанесение серебряных контактов методами магнетронного напыления, термического испарения, печати. Также поляризованный пьезоэлектрик может представлять собой композиционный пьезоматериал.
Также технический результат достигается за счет того, что в предпочтительном варианте исполнения изобретения в качестве электроактивной полимерной пленки (203) используется поляризованный пьезоэлектрик на основе ПВДФ или пленочный пьезокомпозит, т.е. материалы, отличающиеся отсутствием собственных резонансов на низких частотах, в отличие от пьезокерамик, что приводит к отсутствию необходимости применения компенсационных схем. Также это позволяет использовать датчик на различных частотах без необходимости замены электроактивной полимерной пленки (203).
Очевидно, что сутью применения поляризованного пьезоэлектрика является преобразование энергии механических колебаний в электрический сигнал. Таким образом, поляризованный пьезоэлектрик может быть заменен на тензорезистивный пленочный гибкий материал при незначительном пересмотре общей конструкции.
Также технический результат достигается за счет того, что электроактивная полимерная пленка (203) через изолирующие слои (204) изолируется от окружающей среды и закрепляется на жестко закрепленной в опоре (201) упругой консоли (202), предпочтительно выполненной из бериллиевой бронзы, с грузом (205). Жестко закрепленная в опоре консоль (202) обеспечивает гармонический линейный режим колебания электроактивной полимерной пленки (203), а система консоль (202) - груз (205) задают момент инерции колебаний системы, соответствующий основному механическому резонансу. Таким образом, чувствительность системы резко повышается при близких значениях основной резонансной частоты активного элемента, определяемой геометрией и массой системы консоль (202) - груз (205), и частоты внешних вынужденных колебаний, что позволяет использовать датчик в узком интервале частот.
Дополнительный технический результат достигается за счет того, что масса основного деформируемого элемента - электроактивной полимерной пленки (203), гораздо меньше массы и инерции задающей частотный режим колебаний системы консоль (202) - груз (205), что позволяет практически исключить шумы, связанные с изменением инерционности колебательного движения системы в процессе работы датчика.
Очевидно, что сутью исполнения упругой консоли (202) предпочтительно из бериллиевой бронзы является упругий характер деформации этого сплава в широком интервале нагрузок и амплитуд колебаний, а также низкая усталостная текучесть. Очевидно, изобретение может быть реализовано с использованием жесткой консоли из иного металла, сплава, полимерного или композиционного материала.
Также очевидно, что опора (201) может быть реализована любым технически применимым способом (пайка, сварка, жесткое механическое защемление, винтовое соединение и др.) без изменения сущности изобретения, если она обеспечивает малое перемещение защемленного конца консоли (202) по сравнению со свободным (на котором установлен груз (205)).
Также очевидно, что изолирующие слои (204) могут быть изготовлены из любого материала (предпочтительно, эластомера силикона, полиуретана, цианакрилата и др.) без изменения сущности настоящего изобретения в том случае, если они не вносят заметных поправок в инерционность системы консоль-груз, а также обеспечивают свободную деформацию электроактивной полимерной пленки (203), а также способны без растрескивания и иных необратимых явлений многократно деформироваться в пределах изгиба консоли.
Также очевидно, что груз (205) может быть изготовлен и закреплен на консоли (202) любым подходящим способом без изменения сущности настоящего изобретения в том случае, если момент инерции системы консоль-груз не изменяется в процессе эксплуатации датчика. Предпочтительным, однако, является винтовое крепление груза, позволяющее переместить его и изменить основную рабочую частоту датчика.
Кроме того технический результат достигается за счет того, что электроактивная полимерная пленка (203) через электрические выводы (200), предпочтительно представляющие собой многожильные медные провода в химически стойкой изоляции, присоединены к усилителю (103), предпочтительно представляющему собой операционный усилитель (см. фиг. 3), относящийся к наиболее низкозатратным и компактным типам усилителей, присоединенный через коннектор (102) (стандартный разъем RS232 в предпочтительном варианте реализации изобретения) к источнику питания (101) постоянного напряжения, предпочтительно с ручным или автоматическим выключателем для повышения энергоэффективности и ресурса службы датчика в автономном режиме. Также усилитель (103) присоединяется к устройству отображения сигнала (100) в виде цифрового или аналогового осциллографа, предпочтительно с системой хранения записанного сигнала. Конструкция устройства отображения (100) частью датчика не является.
Очевидно, что конструкция и материалы выводов (203), усилителя (103), коннектора (102), источника питания (101) постоянного напряжения могут быть заменены на иные без изменения сущности изобретения, в предпочтительном варианте реализации изобретения описаны наиболее надежные низкозатратные компоненты датчика.
Также технический результат достигается за счет того, что чувствительный элемент датчика (104) и усилитель (103) помещены в экранирующий корпус (105), предпочтительно изготовленный из алюминия или его сплавов, обеспечивающий одновременно механическую защиту чувствительного элемента датчика (104) и усилителя (103) и экранирование электронных помех, чем достигается возможность использования датчика в условиях подземного размещения, высоких электромагнитных помех, городских условиях.
Очевидно, что корпус (105) может также быть изготовлен из иных металлов (сталь, медь и др.) или электропроводящих композиционных материалов, а также диэлектрических пластмасс или композиционных материалов при условии нанесения проводящего экранирующего слоя на внутреннюю поверхность корпуса и обеспечения им одновременно механической прочности и экранирования электромагнитных волн, что не изменяет сущности настоящего изобретения.
Таким образом, датчик низкоамплитудных апериодических вибраций на основе пленочного чувствительного элемента при простоте конструкции обеспечивает возможность настройки на предпочтительную основную частоту, максимальное подавление нецелевых сигналов, стойкость к внешним механическим и электромагнитным факторам, автономность работы, работу в условиях широкого спектра длительностей импульсного воздействия.
Предпочтительный вариант реализации изобретения:
На фиг. 1 приведена общая схема устройства датчика. Чувствительный элемент датчика (104), настроенный на необходимую основную частоту, например, 1,5-2 Гц, что соответствует шагу/бегу человека и используется в системах безопасности, присоединен электрическими выводами (проводами с использованием пайки) к усилителю (103), предпочтительно операционного типа (см. фиг. 2а), с выводами на коннектор (102) (например, типа RS232, см. фиг. 3б). Усилитель и чувствительный элемент помещены в экранирующий и защитный корпус (105), предпочтительно изготовленный из алюминия и покрытый снаружи защитной краской/эмалью. К коннектору (102) через параллельный кабель присоединяется источник питания усилителя (101), предпочтительно представляющий собой аккумулятор, обеспечивающий постоянное напряжение в интервале 3,7-4,5 В, помещенный в пластиковый корпус с контактами и оснащенный выключателем. Второй конец кабеля оканчивается разъемом, например, стандартным BNC-01 или BNC-02 разъемом для присоединения подходящего устройства отображения (100), предпочтительно с возможностью отображения и записи временных изменений напряжения (осциллограмм).
На фиг. 2 приведена подробная схема чувствительного элемента (104). Электроактивная полимерная пленка (203), предпочтительно поляризованная пьезоэлектрическая пленка на основе ПВДФ с нанесенными с обеих сторон серебряными электродами, предпочтительно длиной от 20 до 80% длины консоли (202), через изолирующие слои (204), преимущественно на основе цианакрилатного клея или цианакрилатного клея (нижний) и силикона (верхний) изолируется от окружающей среды и закрепляется на жестко зафиксированной в опоре (201) упругой консоли (202), предпочтительно выполненной из бериллиевой бронзы марки БрБ2, с грузом (206), предпочтительно в виде шайб с суммарным весом, сопоставимым или превосходящим массу консоли, однако не вызывающим деформации консоли в отсутствие внешних возбуждающих колебаний. Груз предпочтительно закрепляется на консоли винтом для обеспечения возможности последующего изменения массы груза и его перемещения по длине консоли. Опора (201) предпочтительно представляет собой внутренний выступ на корпусе (105) с возможности жесткой фиксации одного из концов (левый на фиг. 2) консоли (202) для предотвращения его перемещений и установления режима колебаний консоли (202) под действием внешних возбуждающих колебаний как простых изгибных колебаний защемленной с одного конца балки. К нанесенным электродам электроактивной полимерной пленки (203) методами пайки или склеивания проводящим клеем присоединяются с противоположных сторон выводящие провода (200). В зависимости от конкретной конструкции усилителя (103), выводящие провода (200) либо оба присоединяются к усилителю (например, для усилителя по фиг. 2), либо 1 из проводов присоединяется к усилителю, а второй - к корпусу датчика (105).
Источник питания (101) и устройство отображения (100) могут быть отнесены на любое расстояние от корпуса (105), в т.ч. передача сигнала на устройство отображения (100) может осуществляться по беспроводному каналу.
Работа пьезоэлектрического датчика осуществляется следующим образом.
Выбирается примерное значение целевой основной частоты, для которой требуется максимальная чувствительность датчика, предпочтительно в интервале частот 0,1 Гц - 200 Гц или длительности импульса при однократных и случайных воздействиях, предпочтительно 0,005-10 сек. Проводится расчет основного резонанса системы консоль (202) - груз (205), выбирается длина консоли (202) и масса груза. После сборки датчика резонанс проверяют по усилению сигнала датчика на 1-2 порядка при подключенном внешнем генераторе механических колебаний, настроенном на целевую основную частоту. При наличии необходимости в корректировке механической системы (основной частоты или длительности импульса, на которой работает датчик) проводят перемещение груза (206) или уменьшение длины консоли (202) от точки опоры (например, путем сдвигания консоли в выступ во внутренней части корпуса (105).
Корпус датчика может быть установлен в горизонтальном положении на уровне земли, заглублен в землю, жестко закреплен на стенах и опорах зданий или размещен иным необходимым образом с предпочтительным условием жесткой фиксации корпуса относительно колеблющейся системы для повышения чувствительности датчика и снижения паразитных сигналов.
Перед началом работы датчика источник питания (101) постоянного напряжения должен быть включен (должна осуществляться подача электрического питания на усилитель (103)).
При возникновении внешних возбуждающих механических колебаний чувствительный элемент (104) совершает вынужденные изгибные колебания, при этом закрепленная на консоли (202) электроактивная полимерная пленка (203) под действием изгибной деформации осуществляет пропорциональное преобразование механической энергии колебаний в осциллирующий электрический сигнал. При приближении внешней возбуждающей частоты (или эквивалентной длительности импульса) к частоте основного резонанса, на который рассчитан чувствительный элемент (104), происходит многократное возрастание деформации консоли (202) и соответствующее кратное (1-2 порядка) возрастание электрического сигнала с электроактивной полимерной пленки (203), передаваемого выводящими проводами (200) на усилитель (103), усиливается еще на 1-2 порядка, и передается на устройство отображения (100) для фиксации, индикации и, при необходимости, записи сигнала.
Отклик датчика в интервале частот 1-10 Гц и величине амплитуды внешнего механического воздействия не менее 5 мкм составляет 150-1500 мВ, что значительно (на 1-2 порядка) превышает величины отклика датчиков и акселерометров, известных из уровня техники.
Источники информации
1. Авт. свидетельство SU 558220 A1. Дата приоритета 26.12.1975 г. G01P 15/08.
2. Патент RU 2498525 С2. Дата приоритета 26.11.2008 г. H04R 17/00.
3. Патент RU 2262157 С1. Дата приоритета 31.03.2004 г. H01L 41/113.
4. Патент RU 2662535 С1. Дата приоритета 31.01.2017 г. В82В 3/0095.