Высокотемпературный датчик вибраций

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области конструирования измерительной техники, в частности к датчикам измерения параметров механических колебаний, способных работать при высоких температурах, широко используемых для контроля вибраций и диагностики различных объектов техники в энергетике, машиностроении, судостроении, авиационно-космической технике, сейсморазведке, строительстве и т.д.
Уровень техники
Известен пьезоэлектрический датчик вибраций с биморфным композитным пьезоэлементом, использующим деформацию изгиба [Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение. / Пер. с англ. С.Н. Жукова. - Минск. ООО «ФУАинформ», 2003., С. 56-60]. Композитный пьезоэлемент состоит из двух склеенных пьезоэлементов с противоположно направленными векторами спонтанной поляризации. При механических колебаниях в одном пьезоэлектрическом элементе возникают деформации растяжения, а на другом деформации сжатия, что приводит к возникновению электрического напряжения на электродах пьезоэлектрических элементов. Преобразователь имеет малую поперечную чувствительность и высокую чувствительность к вибрации в рабочем направлении.
Известен датчик вибраций, патент RU 2382990 С1, опубликованный 2010.02.27, включающий корпус с несколькими одинаковыми пьезоэлементами из пьезокерамики внутри, установленными консольно во взаимно перпендикулярных плоскостях. Однако, известный преобразователь имеет малый рабочий температурный диапазон.
-4
Недостатками данных преобразователей является узкий линейный участок зависимости чувствительности от частоты вибрации и ограниченную температуру применения. На сегодняшний день основными материалами для создания датчиков вибраций являются твердые растворы цирконата-титаната свинца с большим содержанием титаната свинца, титаната кальция-свинца и титанат натрия висмута. Обладая высокими пьезоэлектрическими модулями, пластины, мембраны, консоли, сделанные из этих материалов, являются эффективными механоэлектрическими преобразователями при относительно больших скоростях изменения механических воздействий, не менее 10 g (ускорение свободного падения), причем чем больше ускорение или частота воздействий, тем выше их эффективность. По этой причине они нашли широкое применение в таких устройствах, где требуется контроль относительно высоких скоростей воздействия, например, в системах безопасности автомобилей. Кроме того, данные материалы имеют ограниченную температуру применения: пьезоэлектрические модули довольно быстро уменьшаются как с понижением температуры, так и с повышением, причем максимальная рабочая температура составляет примерно 250-300 градусов Цельсия.
Наиболее близким аналогом является датчик вибраций на основе бидоменных монокристаллов ниобата лития [Kubasov, I.V.; Kislyuk, A.M.; Turutin, A.V.; Bykov, A.S.; Kiselev, D.A.; Temirov, A.A.; Zhukov, R.N.; Sobolev, N.A.; Malinkovich, M.D.; Parkhomenko, Y.N. Low-Frequency Vibration Sensor with a Sub-nm Sensitivity Using a Bidomain Lithium Niobate Crystal. Sensors 2019, 19, 614. https://doi.org/10.3390/s19030614]. Активный элемент датчика выполнен из бидоменного монокристалла ниобата лития, что обеспечивает высокую температуру применения и высокую добротность за счет отсутствия клеевого слоя в биморфной структуре.
Однако известный датчик имеет наибольшую чувствительность в узком диапазоне частот. Указанный недостаток обусловлен тем, что активный элемент выполнен в виде единой консоли и наибольшая чувствительность датчика 2443 B/g достигается на частоте механического резонанса консоли 97,25 Гц. Вдали от резонансной частоты колебания консоли чувствительность экспоненциально падает в зависимости от амплитуды детектируемого сигнала, 7 B/g при частоте 23 Гц.
Заявляемый в качестве полезной модели датчик вибраций позволит устранить этот недостаток и расширить частотный диапазон предельно детектируемых вибраций.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявленной полезной модели, заключается в расширении полосы частот, в которой достигается максимальная чувствительность к вибрационному воздействию.
Технический результат достигается тем, что высокотемпературный датчик вибраций, включает монокристаллическую основу с биморфной структурой, полученную в результате склеивания, спекания или термообработки, имеющую форму плоского гребня, длина зубцов которой линейно уменьшается таким образом, что с одной стороны расположен наиболее длинный зубец, а с другой - наиболее короткий, нерабочая часть жестко зафиксирована, а на стороны зубцов нанесены высокотемпературные металлические электроды, повторяющие поверхность зубцов, причем электроды друг с другом не замкнуты.
В качестве монокристаллической основы используют сегнетоэлектрический монокристалл ниобата лития, а биморфная структура представляет собой два плоских сегнетоэлектрических домена одинаковой площади с векторами спонтанной поляризации, направленными антипараллельно.
Также в качестве монокристаллической основы используют сегнетоэлектрический монокристалл танталата лития, а биморфная структура представляет собой два плоских сегнетоэлектрических домена одинаковой площади с векторами спонтанной поляризации, направленными антипараллельно.
Краткое описание чертежей
Общий вид датчика вибраций представлен на фиг.
На фиг. использованы следующие обозначения:
1 - нерабочая часть датчика;
2 - рабочая часть датчика;
3 - высокотемпературные металлические электроды;
4 - металлические провода.
Осуществление полезной модели
Конструкция датчика выполнена из монокристаллической основы с биморфной структурой в форме плоского гребня, в котором есть нерабочая часть 1 и рабочая часть 2. Нерабочая часть 1 жестко зафиксирована держателе. Рабочая часть 2 представляет собой по меньшей мере три зубца, расстояние между которыми не превышает 1 мм. Большее расстояние между зубцами приводит к большему градиенту вибрационного поля, тем самым ухудшая локальность измеряемых вибраций. Длина зубцов линейно уменьшается таким образом, что с одной стороны расположен наиболее длинный зубец, а с другой - наиболее короткий. Зубцы имеют одинаковую ширину и толщину, но разную длину, благодаря чему имеют разные резонансные частоты колебаний, но высокую добротность. На все зубцы нанесены, например методом магнетронного напыления, высокотемпературные металлические электроды 3 с двух сторон. Электроды 3 повторяют поверхность зубцов. К электродам 3 с двух сторон каждого зубца подсоединены тонкие металлические провода 4. Пара проводов с каждого зубца независимо подсоединена к блоку обработки сигнала.
Монокристаллическая основа плоского гребня представляет собой биморф, содержащий два равных объема сегнетоэлектрического материала, имеющих встречные направления спонтанной электрической поляризации. При реализации биморфа в едином монокристалле, такая структура называется бидоменным кристаллом [Kubasov I.V., Kislyuk A.M., Bykov A.S., et al. Bidomain structures formed in lithium niobate and lithium tantalate single crystals by light annealing // Crystallogr. Reports. Maik Nauka-Interperiodica Publishing, - 2016. - Vol. 61. - №2. - P. 258-262. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063774516020115]. Биморф может быть получен склеиванием, спеканием или представлять собой единый монокристалл со сформированной в объеме встречно-поляризованной сегнетоэлектрической бидоменной структурой, вырезанный таким образом, чтобы пьезоэлектрический эффект в направлении длины зубца был максимален.
Принцип работы датчика вибраций можно описать следующим образом: при нахождении в вибрационном поле за счет инерции происходит изгиб каждого из зубьев плоского гребня в одном направлении. Деформация пьезоэлектрического материала приводит к появлению разности потенциалов на электродах 3 структуры, причем полезный сигнал детектируется с каждого зубца отдельно, за счет того, что электроды не замкнуты друг с другом. При приближении частоты вибрации к резонансной частоте зубца соотношение сигнал-шум и чувствительность повышаются. Вибрационное поле, обладающее широким спектром частот вибраций, может быть разложено, детектировано и описано за счет обработки сигналов с наиболее подходящих по резонансной частоте зубцов. Таким образом, расширяется полоса частот, в которой достигается максимальная чувствительность к вибрационному воздействию.
При изготовлении рабочих элементов из бидоменных монокристаллов ниобата лития или танталата лития чувствительность датчиков будет составлять до 2400 B/g, что недостижимо на пьезокерамических материалах. Кроме того, в связи с тем, что пьезоэлектрические модули монокристаллов незначительно зависят от температуры, рабочий диапазон датчиков будет находиться в пределах от криогенных до 450 градусов Цельсия.
Главное отличие от других предложенных технических решений, использующих комбинацию датчиков, состоит в том, что в настоящем датчике вибрации в качестве основы для пьезоэлектрического материала использован единый монокристалл ниобата лития или танталата лития, вырезанный в форм-факторе плоского гребня с зубцами, длина которых линейно уменьшается, за счет чего резонансная частота колебаний каждого отдельного зубца различается. Благодаря использованному решению достигается высокий уровень согласования механических характеристик (кроме резонансной частоты) между соседними зубьями, минимальные потери механической энергии при взаимодействии зубьев, а также максимально возможная добротность каждого отдельного зубца. Такая конструкция позволяет достигнуть высокой воспроизводимости характеристик датчика вибраций при производстве, упрощает процесс создания датчиков, что приводит к эффективному расширению полосы частот, в которой достигается максимальная чувствительность к вибрационному воздействию.
Примеры конкретного выполнения.
Монокристаллическая основа с биморфной структурой была вырезана из монокристаллического бидоменного ниобата лития у+128°-среза в форме гребня с семью зубцами со следующими размерами: ширина гребня составила 15,5 мм, длина каждого зубца - от 80 мм до 20 мм, при этом каждый последующий короче предыдущего на 10 мм, ширина - 2 мм, зазор между зубцами составляет 0,25 мм. На каждый из зубцов были нанесены высокотемпературные металлические электроды 3. В качестве электродов был использован сплав нихрома. Металл нанесен при помощи магнетронного распыления мишени. Толщина металлических электродов 3 составила 100 нм. Металлические провода 4 из нихромовой проволоки толщиной 0,1 мм были подсоединены к электродам 3 при помощи ультразвуковой микросварки. При калибровке датчика на калибровочном стенде были получены чувствительности 2447 B/g на частоте 97,25 Гц, 15 B/g на частоте 23 Гц, 2645 B/g на частоте 85,47 Гц, 1987 B/g на частоте 350 Гц, 1391 B/g на частоте 650 Гц.
Монокристаллическая основа с биморфной структурой была вырезана из монокристаллического бидоменного танталата лития лития у+36°-среза в форме гребня с тремя зубцами со следующими размерами: ширина гребня составила 6,5 мм, длина каждого зубца - от 75 мм до 25 мм, при этом каждый последующий короче предыдущего на 25 мм, ширина - 2 мм, зазор между зубцами составляет 0,25 мм. На каждый из зубцов были нанесены высокотемпературные металлические электроды 3. В качестве электродов был использован сплав нихрома. Металл нанесен при помощи магнетронного распыления мишени. Толщина металлических электродов 3 составила 100 нм. Металлические провода 4 из нихромовой проволоки толщиной 0,1 мм были подсоединены к электродам 3 при помощи ультразвуковой микросварки. При калибровке датчика на калибровочном стенде были получены чувствительности 2319 B/g на частоте 97,25 Гц, 7 B/g на частоте 23 Гц, 1915 B/g на частоте 225 Гц, 1837 B/g на частоте 875 Гц.