ГИБКИЙ ДАТЧИК ВИБРАЦИИ НА ОСНОВЕ PVDF СТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к области измерений механических вибраций и может быть использована при разработке контрольно-измерительной аппаратуры для оценки состояния человека в режиме реального времени, а также в автомобильной электронике, строительстве, ж/д и авиационной технике, геологии, электроэнергетике, нефтегазовой сфере.
Основное применение датчиков вибрации заключается в преобразовании механических вибрации в электрический сигнал, что может использоваться для контроля жизненных показателей человека, скорости вращения роторов машин, собственных колебаний зданий и сооружений, сейсмической активности и т.д.
Известно цифровое голографическое устройство измерения многокомпонентых вибраций, которое содержит излучающий лазер, голографический интерферометр, светоделитель, систему вращения объекта, систему возбуждения вибраций в объекте и компьютерную систему контроля и управления (Гусев М.Е., Гуревич В.С. Цифровое голографическое устройство измерения многокомпонентных вибраций // Патент РФ № 55964 от 03.11.2005).
Известно волоконно-оптическое устройство регистрации вибраций, состоящее из корпуса, последовательно соединенные с помощью волоконного световода источник электромагнитного излучения, чувствительный элемент в виде участка волоконного световода и фотоприемник, входящий в блок обработки информации. Чувствительный элемент выполнен в виде петли световода, закрепленной на основании корпуса устройства. В верхней части петли световода закреплен груз, а вдоль нижней части петли установлены бортики для гашения горизонтальных колебаний (Никулин И.Л., Бурдышева О.В. Волоконно-оптическое устройство регистрации вибраций // Патент РФ № 179547 от 14.11.2017).
Известно устройство для измерения вибраций, содержащее корпус чувствительного элемента с размещенными в нем постоянным магнитом, находящимся в центрирующем устройстве, которое выполнено в виде двух закрепленных на внутренней поверхности корпуса кольцевых магнитов, расположение которых выполнено таким образом, что наружная поверхность каждого конца цилиндрического магнита и внутренняя поверхность кольцевого магнита, расположенного напротив этого конца, имели одноименные полюса, оптико-электронный датчик виброперемещений и электронный преобразовательный блок, включающий микроконтроллер, выполняющий функции дифференцирующего, интегрирующего звеньев и управления тока обмоток электромагнитной системы, усилитель тока, соединенный с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента (Шилин А.Н., Аввакумов В.Е., Мустафа М.Н. Устройство для измерения вибраций // Патент РФ № 203751 от 15.12.2020).
Известен автономный индуктивный датчик вибраций, содержащий корпус с крышкой с расположенным внутри него изоляционным каркасом, подвижный постоянный кольцевой магнит с магнитным подвесом, выполненным в виде двух соосно установленных неподвижных кольцевых магнитов, ориентированных одноименными полюсами относительно полюсов подвижного постоянного магнита и две намотанные на каркас включенные встречно измерительные катушки индуктивности, подвижный постоянный кольцевой магнит установлен по скользящей посадке на помещенном внутри каркаса стержне из немагнитного материала, неподвижные магниты расположены в торцах изоляционного каркаса, а кроме двух измерительных катушек на каркас намотаны изолированные от них две встречно включенные катушки индуктивности. Свободные концы измерительных катушек соединены с входом записывающего устройства или компаратора. Свободные концы второй пары катушек подключены через выпрямитель к клеммам заряжаемого аккумулятора (Лукьянов Г.Н. Автономный индуктивный датчик вибраций // Патент РФ № 162586 от 03.02.2016).
Известно устройство для измерения параметров вибрации состоящее из корпуса, в котором имеется MEMS-датчик вибрации, соединенный с микроконтроллером и с блоком питания, датчик температуры основания корпуса устройства и датчик температуры микроконтроллера (Синютин С.А., Синютин Е.С., Прыгунов А.Г. Устройство для измерения параметров вибрации // Патент РФ № 189841 от 30.05.2016).
Известен датчик механических колебаний, включающий корпус с несколькими пьезокерамическими пластинами внутри, установленными консольно на стенках корпуса. Три пары пьезокерамических пластин расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом пластины каждой из пар установлены консольно с противоположных сторон симметрично относительно плоскостей расположения других пар (Сперанский А. А., Захаров К. Л., Цернант А. А., Орбачевский Л. С., Морозов О.В. Датчик механических колебаний // Патент РФ № 2382990 от 22.08.2008).
Известен преобразователь энергии вибраций, состоящий из корпуса, средства закрепления преобразователя на вибрирующем объекте, набора круглых пьезомодулей и средств разделения и крепления пьезомодулей. Круглые пьезомодули установлены в виде стопки так, что центры пьезомодулей разделены и склеены с центральными средствами разделения и средством закрепления преобразователя, а периметры пьезомодулей разделены и склеены с периметральными средствами разделения и жестко укреплены в корпусе преобразователя, при этом корпус дополнительно снабжен грузом для усиления резонансных колебаний конструкции. (Нунупаров М.С. Преобразователь энергии вибраций // Патент РФ № 178056 от 07.12.2016)
Известен пьезоэлектрический датчик вибрации, включающий корпус с пружинной стойкой, изолированный от корпуса посредством изоляционных шайб пакет пьезоэлектрических дисков, одна сторона каждого из которых поляризована положительно, а другая - отрицательно, пьезоэлектрические диски сопряжены с центральной пружинной стойкой с зазором посредством отверстий, выполненных в центре каждого диска, токосъемные шайбы, снабженные токовыводами, сгруппированными по одноименной полярности, а также груз, размещенный над пакетом пьезоэлектрических дисков и включающий прижимную шайбу и гайку, сопряженную с пружинной стойкой. Пьезоэлектрические диски объединены в группы с различным их количеством в каждой группе, при этом токосъемные шайбы размещены между группами дисков. На гайке укреплен дополнительный пригрузочный элемент (Орлов А.В., Ларичев Б.В., Хомич С.Ф.Пьезоэлектрический датчик вибрации // Патент РФ № 14670 от 11.04.2000).
Известен измерительный пьезоиндукционный преобразователь вибрации, содержащий корпус, источник электропитания, инерционный груз, пьезоблок, выполненный из двух пьезоэлементов, скрепленных между собой через прокладку, при этом один нижний пьезоэлемент блока жестко прикреплен к корпусу, а другой верхний пьезоэлемент сопряжен с инерционным грузом, выполненным в виде постоянного магнита, вокруг которого на внутренней поверхности корпуса закреплена индукционная катушка, электрически соединенная выборочно с электроизмерительным прибором или с источником электропитания (Панкина Г.В., Синотов А.Г., Синотова А.А., Данилин Е.А., Пучкова Н.М., Семенко М.Г. Измерительный пьезоиндукционный преобразователь вибрации // Патент РФ № 96256 от 25.03.2010).
Известен пьезоэлектрический датчик, содержащий прочный корпус, внутри которого расположен пьезоэлемент с подвижной пластиной сверху и поддерживающей пружиной снизу. Корпус представляет собой толстостенный полый цилиндр. Пьезоэлемент изготовлен в виде круглого стержня, размеры которого выполнены под посадку в корпусе с гарантированным зазором. Подвижную пластину от выхода наружу из отверстия корпуса удерживает проточенный буртик. Подвижная пластина противоположной торцевой поверхностью опирается на пьезоэлемент, который снизу поджимает поддерживающая пружина, а противоположная часть пружины удерживается неподвижной пластиной, которая имеет резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса (Бурлуцкий Е.М., Чкалова М.В., Павлидис В.Д. Пьезоэлектрический датчик ударных нагрузок // Патент РФ № 2689895 от 28.08.2017).
Недостатками известных конструкций датчиков вибрации являются сложность конструкция, большие габариты и масса, недостаточная чувствительность, ограниченный частотный диапазон, потребляемая мощность, электромагнитные наводки, низкая достоверность о параметрах пространственного распределения вибраций, сложности с измерениями линейных вибраций в произвольном направлении, вращательных и многокомпонентных колебаний.
Наиболее близким по техническому решению является, принятый за прототип, пьезоизмеритель, содержащий корпус с резьбовым креплением на исследуемый объект и крышкой. Корпус прототипа имеет установочную поверхность в виде полусферы, открытую в сторону крышки, к которой жестко прикреплены пьезоэлектрические чувствительные элементы - пьезоячейки, реагирующие на параметры колебательного ускорения, электроды и провода для снятия и передачи электрических сигналов на приборы обработки информации. Пьезоячейки на полусферической образующей поверхности полости размещены в точках ее пересечения с концентрическими окружностями, распределенными с шагом H между ними в параллельных срезу корпуса под крышку плоскостях и окружностями в равномерно расположенных с шагом N секториальных секущих плоскостях. Контактная поверхность пьезоячеек соответствует профилю установочной поверхности корпуса, а на верхней поверхности каждой пьезоячейки закреплен инерционный груз, при этом количество концентрических окружностей, секторов и пьезоячеек определяется требованиями получения более полной информации о пространственной вибрации в различных плоскостях действия вектора вибрации или удара (Панкина Г.В., Синотов А.Г., Синотова А.А. Пьезоизмеритель - индикатор поля пространственной вибрации и удара // Патент РФ № 165279 от 30.05.2016) - прототип.
Недостатком прототипа является сложность конструкции, большие габариты и масса, ограниченная область применения, недостаточная чувствительность и точность измерения вибраций.
Задачей предложенного решения является повышение чувствительности и точности измерений вибраций, миниатюризация и расширение области применения.
Поставленная задача достигается тем, что гибкий датчик вибрации на основе PVDF структуры, состоящий из полимерных пьезоэлектрических чувствительных элементов из слоя PVDF или его сополимеров, электродов с двух сторон, токоведущих дорожек, защитных подложек, контактных площадок, выполнен в форме тонкого диска, полимерные пьезоэлектрические чувствительные элементы прямоугольной формы из слоя PVDF или его сополимеров расположены по направлению лучей, расходящихся от центра окружности, тонкие гибкие защитные подложки выполнены из слюды в форме дисков, расположенных с лицевой и обратной стороны, пространство между чувствительными элементами заполнено слоем ВСВ или полимеров на его основе, контактные площадки расположены на периферии лицевой стороны.
Для решения данной задачи предложен гибкий датчик вибрации на основе PVDF структуры, состоящий из прямоугольных полимерных пьезоэлектрических чувствительных элементов из слоя поливинилиденфторида (PVDF) или его сополимеров, электродов и токоведущих дорожек с двух сторон чувствительных элементов, двух тонких гибких защитных подложек из слюды с лицевой и обратной стороны, контактных площадок на периферии лицевой стороны, слоя бензоциклобутена (ВСВ) или полимеров на его основе, заполняющего пространство между чувствительными элементами. Датчик выполнен в форме тонкого диска.
Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности и точности измерения вибраций, миниатюризация и расширение области применения.
Для пояснения предлагаемого решения предложены чертежи.
Фиг. 1 - датчик вибрации на основе PVDF структуры.
Фиг. 2 - полимерный пьезоэлектрический чувствительный элемент на основе PVDF.
Устройство состоит из полимерных пьезоэлектрических чувствительных элементов из слоя поливинилиденфторида (PVDF) или его сополимеров прямоугольной формы 1, расположенных с постоянным шагом по направлению лучей, расходящихся от центра окружности, электродов 2, переходящих в токоведущие дорожки и расположенных с двух сторон чувствительных элементов, тонких гибких защитных подложек 3 из слюды в форме дисков, расположенных с лицевой и обратной стороны, слоя бензоциклобутена (ВСВ) или полимеров на его основе 4, заполняющего пространство между чувствительными элементами, контактных площадок 5, расположенных на периферии лицевой стороны.
Устройство работает следующим образом.
Предлагаемая конструкция фиксируется на поверхности, вибрации которой необходимо измерить за счет клея (компаунда, липкой ленты, воска, манжеты, застежки и т.д.) лицевой стороной вверх, механические вибрации, проходя через датчик, вызывают механические деформации  полимерных пьезоэлектрических чувствительных элементов из слоя поливинилиденфторида (PVDF) или его сополимеров, пьезоэлектрический эффект приводит к появлению электрического сигнала на электродах чувствительного элемента, пропорционального амплитуде вибрации, и за счет электродов, переходящих в токоведущие дорожки передается на контактные площадки и далее на обрабатывающее устройство. Диаметр датчика и количество чувствительных элементов определяется характером поверхности и требованиями к разрешающей способности датчика. Расположение чувствительных элементов позволяет измерять линейные вибрации в произвольном направлении, пространственное распределение вибраций и вращательные колебания с высокой точностью. Использование полимерных пьезоэлектрических слоев позволяет использовать планарную технологию, тем самым повышая разрешающую способность датчика и делая его миниатюрным и недорогим в изготовлении. Благодаря гибкости, простоте монтажа и доступным для измерения типам вибраций существенно расширяется область возможного применения датчика.
Таким образом, предлагаемая конструкция обладает малыми размерами, позволяет повысить чувствительности и точности измерения вибраций для контрольно-измерительных устройств оценки состояния человека в режиме реального времени, а также в автомобильной электронике, строительстве, ж/д и авиационной технике, геологии, электроэнергетике и нефтегазовой сфере.