ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗГИБНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к пьезотехнике и может быть использована в качестве устройства преобразования энергий: электрической в механическую и наоборот, а именно при конструировании пьезодвижителей (актюаторов, устройств перемещения, позиционирования и т.п.), пьезоэлектрических измерительных преобразователей (датчиков), широко используемых для контроля вибрации и диагностики различных объектов техники в энергетике, авиации, машиностроении, судостроении, ракетно-космической технике, а также для контроля акустических полей в воздушной и водной среде, сейсморазведке, архитектуре и т.д.
Известны пьезоэлектрические изгибные преобразователи балочного типа, используемые в качестве устройств перемещения, позиционирования и т.п. (Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение./ Пер. с англ. С.Н. Жукова. - Минск. ООО «ФУАинформ», 2003., С. 56 - 60) [1]. Пьезоэлектрический изгибный преобразователь балочного типа содержит два склеенных пьезоэлектрических элемента, соединенных последовательно и закрепленных консольно в основании. При подаче электрического напряжения на электроды пьезоэлектрических элементов в одном пьезоэлектрическом элементе возникают деформации растяжения, а на другом деформации сжатия, что приводит к изгибу преобразователя. Незакрепленный конец преобразователя соединяют с исполнительным устройством.
Также известен пьезоэлектрический виброприемник, содержащий консольно прикрепленную к основанию пластину, состоящую из двух пьезоэлектрических элементов, имеющих на свободных концах инерционные массы. С целью раздельного измерения нормальных составляющих возвратно - поступательного и углового ускорения к основанию симметрично относительно первой пластины жестко прикреплена вторая пластина, при этом два пьезоэлектрических элемента включены согласно по отношению к направлению поляризации, а два других пьезоэлектрических элемента - встречно (SU 304447, МПК G01h 3/06, опубл. 25.05.1971) [2].
С целью повышения точности измерений в условиях значительных вибраций вдоль продольной оси пластин, каждая пластина выполнена из четырех пьезоэлектрических элементов, соединенных в две группы, в одну из которых включены внешние, а в другую - внутренние пьезоэлектрические элементы обеих пластин, на свободных концах пластин расположены инерционные массы (SU 487312, МПК G01h 1/04, опубл. 05.10.75) [3].
На рынке продукции предложены пьезоэлектрические изгибные преобразователи, в которых функцию инерционной массы выполняет упругий элемент и пьезоэлектрические элементы (Каталог продукции АО «НИИ «Элпа»,
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь типа ЭП-9-47-ПлБ-001, http://www.elpapiezo.ru/Datasheets/BYMORF.pdf) [4] принят за прототип заявляемой полезной модели, как наиболее близкий по технической сущности.
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь-прототип содержит две пьезоэлектрические пластины с нанесенными электродами, склеенные между собой через алюминиевую прокладку, выполняющую функцию упругого элемента. Пьезоэлектрические пластины подключены параллельно, последовательное соединение осуществляется по отдельному заказу.
Основной недостаток известных конструкций [2, 3, 4] пьезоэлектрических изгибных преобразователей заключается в их низкой эффективности: неоптимальном коэффициенте электромеханической связи, малом диапазоне рабочих частот, низкой чувствительностью, что снижает соотношение сигнал/шум.
Недостатком прототипа является недостаточно широкий рабочий диапазон частот, низкое значение коэффициента электромеханической связи и чувствительности. Эти недостатки обусловлены следующими принципиальными свойствами преобразователя.
в
p
р
p
Известно (Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010. с. 70) [5], что чувствительность пьезоэлектрических акселерометров остается постоянной (с погрешностью не более 10%) в частотном диапазоне, ограниченном верхней частотой рабочего диапазона ƒ≤(0,2 … 0,3)ƒ, где ƒ - частота резонанса преобразователя. Следовательно, расширение рабочего диапазона преобразователя требует увеличения его резонансной частоты. Однако, также известно (Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л.: Энергоатомиздат.1990. С. 253 - 256) [6], что увеличение ƒ приводит к уменьшению чувствительности преобразователя.
Также известно, что любой измерительный преобразователь должен иметь низкий уровень собственных шумов, который для пьезоэлектрических преобразователей характеризуется параметром, называемым удельная чувствительность.
Известно [6] с. 32 - 33, что пьезоприемник имеет тем меньший уровень собственных шумов, чем больше его удельная чувствительность. Также известно [6] с. 255, что удельная чувствительность виброприемника изгибного типа прямо пропорциональна величине его коэффициента электромеханической связи. Поскольку известный виброизмерительный преобразователь имеет низкое значение коэффициента электромеханической связи, следствием этого является высокий уровень собственных шумов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, а также техническим результатом полезной модели является расширение рабочего диапазона частот преобразователя, повышение чувствительности и коэффициента электромеханической связи.
Указанный технический результат достигается тем, что изгибный пьезоэлектрический преобразователь содержит основание, к которому консольно закреплен балочный изгибный элемент, состоящий из упругой металлической пластины, к боковым поверхностям которой жестко закреплены пьезоэлектрические пластины с электродами, электрически соединенные последовательно.
Согласно полезной модели геометрические размеры упругой металлической пластины и пьезоэлектрических пластин выбраны из соотношений:
,
,
где С - длина пьезоэлектрических пластин;
D - длина упругой металлической пластины;
В - толщина пьезоэлектрических пластин;
А - толщина упругой металлической пластины.
В частных случаях выполнения пьезоэлектрического изгибного преобразователя:
- пьезоэлектрические пластины выполнены из пьезоэлектрического материала на основе цирконата-титаната свинца;
- металлическая пластина выполнена из дюралюминия;
- основание выполнено из дюралюминия.
Выполнение пьезоэлектрического изгибного преобразователя, состоящего из основания, пьезоэлектрических пластин и металлической пластины, с геометрическими размерами, удовлетворяющим заявляемым соотношениям (1) и (2), приводит к расширению рабочего диапазона частот преобразователя при достаточно высокой его чувствительности, а также повышению его коэффициента электромеханической связи и соотношения сигнал/шум.
Указанные соотношения размеров известных конструктивных элементов пьезоэлектрического изгибного преобразователя получены методом математического моделированием с использованием конечных элементов с помощью пакета программ ANSYS Multiphysics и подтверждены экспериментально на опытных образцах.
Сущность полезной модели поясняется фигурами чертежей.
Фиг. 1 - пьезоэлектрический изгибный преобразователь, вид спереди.
-2
Фиг.2 - амплитудно-частотная характеристика чувствительности S, дБ относительно 1 В/м⋅с пьезоэлектрического изгибного преобразователя, где длина упругой металлической пластины D составляет 5-30 мм.
-2
Фиг. 3 - график зависимости чувствительности S, дБ относительно 1 В/м⋅с пьезоэлектрического изгибного преобразователя от соотношения толщины В пьезоэлектрических пластин к толщине А упругой металлической пластины и длины С пьезоэлектрических пластин к длине D упругой металлической пластины.
p
Фиг. 4 - график зависимости резонансной частоты f, Гц пьезоэлектрического изгибного преобразователя от соотношения толщины В пьезоэлектрических пластин к толщине А упругой металлической пластины и длины С пьезоэлектрических пластин к длине D упругой металлической пластины.
Фиг. 5 - график зависимости коэффициента электромеханической связи Ке пьезоэлектрического изгибного преобразователя от соотношения толщины В пьезоэлектрических пластин к толщине А упругой металлической пластины и длины С пьезоэлектрических пластин к длине D упругой металлической пластины.
Фиг. 6 - пьезоэлектрический изгибный преобразователь, вид слева.
Таблица. Геометрические и электрофизические параметры экспериментальных образцов заявляемого пьезоэлектрического изгибного преобразователя и прототипа.
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь содержит (фиг. 1) металлическую пластину 1, на которой с обеих сторон жестко закреплены клеевым соединением пьезоэлектрические пластины 2 и 3, на поверхности которых нанесены электроды 4, 5 и 6, 7 соответственно, выполненные в виде токопроводящего покрытия. В основание 8 выполнен паз 9 глубиной Е (фиг. 6), в котором жестко закреплена клеевым соединением одним концом сборка из металлической пластины 1 и пьезоэлектрических пластин 2, 3.
К электродам 4, 5 припаяны проводники 9, 10, а к электродам 6, 7 припаяны проводники 11, 12. Проводники 10 и 11 соединены между собой, а проводники 9, 12 являются электрическими выводами изгибного пьезоэлектрического преобразователя. Таким образом, пьезоэлектрические пластины 2 и 3 соединены электрически последовательно. Электрические выводы могут коммутироваться в зависимости от решаемой задачи, образовывая или параллельное, или последовательное соединение пьезоэлектрических пластин 2 и 3.
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь имеет геометрические размеры, выбранные из соотношениий:
,
,
где С - длина пьезоэлектрических пластин;
D - длина упругой металлической пластины;
В - толщина пьезоэлектрических пластин;
А - толщина упругой металлической пластины.
Глубина закрепления Е выбрана из условия обеспечения прочности клеевого соединения при воздействии предельных внешних механических воздействий. Значение глубины Е не оказывает влияния на параметры преобразователя ввиду того, что в месте закрепления не возникают деформации, обусловленные преобразуемым ускорениям.
В предпочтительном исполнении глубина Е закрепления сборки в основании 8 составляет 2 мм. Металлическая пластина 1 и основание 8 выполнены из немагнитного материала дюралюминия марки Д16Т, для исключения влияния внешних магнитных полей на выходной сигнал преобразователя. Пьезоэлектрические пластины 2, 3 выполнены из пьезоэлектрического материала на основе цирконата-титаната свинца ПКП-13, разработанного и выпускаемого в НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ.
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь работает следующим образом. Основание 8 крепится к объекту, виброускорение которого необходимо измерить. В силу инерционных свойств в упругой металлической пластине 1 и пьезоэлектрических пластинах 2, 3 возникают изгибные механические деформации, которые, в свою очередь, приводят к появлению электрического сигнала на электродах 4, 5, 6, 7 пьезоэлектрических пластин 2, 3. Отношение электрического напряжения U, возникшего на электродах 4, 5, 6, 7 к ускорению а основания 8 является чувствительностью преобразователя .
-2
в
в
в
Известно, что для увеличения чувствительности S обычно, как у прототипа, увеличивают длину D преобразователя. На фиг. 2 приведена амплитудно-частотная характеристика чувствительности S, дБ относительно 1 В/м⋅с пьезоэлектрического изгибного преобразователя, где длина упругой металлической пластины D составляет 5, 10, 15, 20, 25, 30 мм. Как следует из семейства кривых, при увеличении длины D упругой металлической пластины 1 растет чувствительность S, но при этом уменьшается рабочий частотный диапазон, ограниченный верхней частотой f. Например, для D=10 мм, f=3000 Гц, S=-57 дБ, а для D=20 мм, f=650 Гц, S=-45 дБ, что характерно для прототипа.
в
p
Таким образом, увеличение чувствительности при увеличении длины D преобразователя для прототипа приводит к уменьшению рабочего частотного диапазона, ограниченного значением f≤0,3ƒ [5] с. 70.
Выполнение пьезоэлектрического изгибного преобразователя, состоящего из основания, пьезоэлектрических пластин и металлической пластины, с геометрическими размерами, удовлетворяющим заявляемым соотношениям (1) и (2), приводит к расширению рабочего диапазона частот преобразователя, повышению чувствительности и коэффициента электромеханической связи.
Заявляемые соотношения геометрических размеров известных элементов конструкции преобразователя получены на основе анализа результатов (фиг. 2 - 5) математического моделирования методом конечных элементов с помощью пакета программ ANSYS Multiphysics [7]. Результаты моделирования преобразователя соответствуют экспериментально полученным параметрам на опытных образцах, приведенных в таблице.
3
На первом этапе математического моделирования строилась трехмерная геометрическая модель преобразователя, которая разбивалась на конечные элементы. Объектам модели задавались электрофизические свойства материалов путем присвоения значений физических констант, описывающих свойства объектов. Для металлической пластины 1 и основания 8 заданы следующие физические параметры: модуль Юнга равен 71 ГПа, коэффициент Пуассона равен 0,34, плотность материала равна 2700 кг/м.
Для пьезоэлектрических пластин 2, 3, выполненных из пьезоэлектрического материала ПКП - 13 заданы электрофизические параметры, описываемые следующими тремя матрицами ввиду анизотропии свойств:
.
На втором этапе проводился расчет параметров модели в заданном диапазоне частот 10 - 10000 Гц и получено семейство зависимостей:
- амплитудно-частотных характеристик чувствительности S, дБ относительно 1 В/м⋅с-2 пьезоэлектрического изгибного преобразователя, где длина упругой металлической пластины D составляет 5 - 30 мм (фиг. 2);
- график зависимости чувствительности S, дБ относительно 1 В/м⋅с-2 пьезоэлектрического изгибного преобразователя от соотношения толщины В пьезоэлектрических пластин к толщине А упругой металлической пластины и длины С пьезоэлектрических пластин к длине D упругой металлической пластины (фиг. 3);
- график зависимости резонансной частоты fp, Гц пьезоэлектрического изгибного преобразователя от соотношения толщины В пьезоэлектрических пластин к толщине А упругой металлической пластины и длины С пьезоэлектрических пластин к длине D упругой металлической пластины (фиг. 4);
- график зависимости коэффициента электромеханической связи Ке пьезоэлектрического изгибного преобразователя от соотношения толщины В пьезоэлектрических пластин к толщине А упругой металлической пластины и длины С пьезоэлектрических пластин к длине D упругой металлической пластины (фиг. 5).
в
в
в
Как следует из семейства кривых при D равных 5, 10, 15, 20, 25, 30 мм (фиг. 2), при увеличении длины D упругой металлической пластины 1 растет чувствительность S, но при этом уменьшается рабочий частотный диапазон, ограниченный верхней частотой f. Например, для D=10 мм, f=3000 Гц, S=-57 дБ, а для D=20 мм, f=650 Гц, S=-45 дБ, что характерно для прототипа.
Представленные зависимости основных параметров преобразователя от соотношения размеров пьезоэлектрических и металлической пластин (чувствительности - фиг. 3, резонансной частоты - фиг. 4 и коэффициента электромеханической связи - фиг. 5) свидетельствуют о том, что в интервале соотношений  и  пьезоэлектрический преобразователь обладает оптимальными свойствами.
В частности:
- сопоставление закономерностей, представленных на фиг. 3 и фиг. 4, показывает, что в указанном интервале соотношений чувствительность преобразователя остается практически постоянной (с погрешностью не более ±1дБ), величина резонансной частоты (соответственно, и диапазон рабочих частот преобразователя) увеличивается относительно прототипа более чем в 7 раз. (см. следующие точки на фиг. 4: для прототипа ; В/А=4-10, для заявляемой полезной модели .
- из графика, представленного на фиг. 5, следует, что величина коэффициента электромеханической связи преобразователя при заявляемых соотношениях геометрических размеров элементов конструкции достигает максимума и составляет Ке =0,35, в то время, как у прототипа Ке =0,30.
В таблице представлены результаты экспериментальной проверки практической реализации предлагаемого пьезоэлектрического изгибного преобразователя. Измерения параметров: чувствительности и частоты резонанса осуществлялось на вибростенде Robotron модель 11075, усилитель мощности  модель 2719, генератор АКИП-3402, осциллограф LeCroy WaveRurmer 104MXi-A методом сравнения с образцовым акселерометром  тип 4381. Измерение коэффициента электромеханической связи осуществлялось динамическим методом в соответствии с ОСТ 11 0444-87 на измерителе иммитанса Wayne Kerr 6520 В.
p
е
Как следует из таблицы, заявляемый пьезоэлектрический изгибный преобразователь имеет чувствительность S=28 мВ/g, резонансную частоту ƒ=1180 Гц и коэффициент электро-механической связи К=0,35, что свидетельствует о том, что указанные параметры значительно превышают параметры прототипа.
Источники информации.
1. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение./ Пер. с англ. С.Н. Жукова. - Минск. ООО «ФУАинформ», 2003. С. 56 - 60
2. SU 304447, МПК G01h 3/06, опубл. 25.05.1971.
3. SU 487312, МПК G01h 1/04, опубл. 05.10.1975.
4. Каталог продукции АО «НИИ «Элпа», Пьезокерамические актюаторов изгибного типа, тип пьезобиморфа ЭП-9-47-ПлБ-001, http://www.elpapiezo.ru/Datasheets/BYMORP.pdf - прототип
5. Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры): монография - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010 С. 70.
6. Аронов Б.С.Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л.: Энергоатомиздат.1990. С 32 - 32, 253 - 256, 255.
7. Митько В.Н., Крамаров Ю.А., Панич А.А. Математическое моделирование физических процессов в пьезоэлектрическом приборостроении. Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2009. С. 16 - 38.
Авторы:
Доля Владимир Константинович,
Ламека Александр Петрович,
Галий Сергей Николаевич.