ДАТЧИК ВИБРАЦИЙ
VIBRATION SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения объемного напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики давления, вибраций и дефектоскопии композитов в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является датчик для визуализации и мониторинга динамической нагрузки [Jiа Y., Tian X., Wu Z., Tian X., Zhou J., Fang Y., Zhu C. Novel Mechano-Luminescent Sensors Based on Piezoelectric/Electroluminescent Composites // Sensors. - 2011, Vol. 11, no. 4, pp. 3962-3969]. Датчик состоит из пьезоэлектрической пластины с наружными электродами, подключенными к электролюминесцентному слою на торце пластины. При действии вибрационного давления на пьезопластины на электродах возникают электрические заряды, которые приводят к свечению электролюминесцентного слоя, интенсивность электролюминесцентного свечения определяется визуальным наблюдением или регистратором интенсивности оптических сигналов; механолюминесцентный эффект в датчике появляется в результате связи пьезоэлектрического и электролюминесцентного эффектов, интенсивность электролюминесцентного свечения зависит от величины и частоты нагрузки.
Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический пластинчатый элемент; электроды, нанесенные на внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, параллельные его серединной поверхности;
электролюминесцентный элемент, подключенный к электродам, регистратор интенсивности оптических сигналов.
Недостатками известной конструкции, принятой за прототип, являются невозможность определения датчиком характеристик механического воздействия (вибрационного давления) в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики; низкая чувствительность датчика при диагностике малых амплитуд и низких частотах механических воздействий. Кроме того, известный датчик не является распределенным датчиком.
Задачей изобретения является разработка датчика, позволяющего определить характеристики механического воздействия в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий и расширить диапазон измеряемых характеристик механических воздействий.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известный датчик вибраций, содержащий пьезоэлектрический пластинчатый элемент, электроды, нанесенные на внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, параллельные его серединной поверхности, подключенный к электродам электролюминесцентный элемент, регистратор интенсивности оптических сигналов, согласно изобретению дополнительно введены световод, расположенный вблизи электролюминесцентного элемента, и два управляющих внутренних линейных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду, и проходящих через электролюминесцентный элемент, в качестве регистратора использован приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из световода.
Датчик может дополнительно содержать второй пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый и второй пьезоэлектрические пластинчатые элементы имеют электроды на внешних поверхностях и разделены общим электродом, причем электроды с одноименными положительными или отрицательными пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами и подключены к электролюминесцентному элементу.
Датчик может быть выполнен по спиральному типу таким образом, что входящие при намотке в контакт одноименные по знаку возникающих на них зарядов электроды на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических элементов биморфа объединены в один общий электрод.
Датчик может быть выполнен составным, включающим однотипные заявляемые датчики, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.
Датчик может быть помещен во внутрь защитной полимерной оболочки.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: световод, расположенный вблизи электролюминесцентного элемент; два управляющих внутренних линейных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду, и проходящих через электролюминесцентный элемент, в качестве регистратора использован приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из световода; датчик дополнительно содержит второй пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый и второй пьезоэлектрические пластинчатые элементы имеют электроды на внешних поверхностях и разделены общим электродом, причем электроды с одноименными положительными или отрицательными пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами и подключены к электролюминесцентному элементу; датчик выполнен по спиральному типу таким образом, что входящие при намотке в контакт одноименные по знаку возникающих на них зарядов электроды на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических элементов биморфа объединены в один общий электрод; датчик выполнен составным, включающим однотипные заявляемые датчики, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах; датчик помещен во внутрь защитной полимерной оболочки.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют датчику определить характеристики механического воздействия (вибрационного давления) в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий и расширить диапазон измеряемых характеристик механических воздействий.
Датчик вибраций иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-.3, в частности, при воздействии давления р.
На фиг. 1 изображен одиночный датчик консольного типа.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение датчика спирального типа.
На фиг. 3 изображен фрагмент составного датчика спирального типа, вид сверху.
Датчик вибраций (фиг. 1) содержит световод 1, электролюминесцентный элемент 2, расположенный вблизи боковой поверхности световода 1, и пьезоэлектрический пластинчатый элемент 3. На две противоположные внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента 3, параллельные его серединной поверхности, нанесены электроды 4, 5.
Электролюминесцентный элемент 2 подключен к электродам 4, 5. Параллельно световоду 1 расположены на некотором расстоянии друг от друга два управляющие внутренние линейные электроды 6, 7, проходящие через электролюминесцентный элемент 2. На выходе из световода 1 установлен приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов (на чертежах не показан).
Для скрепления электролюминесцентного элемента 2 и световода 1 может быть дополнительно использована внешняя цилиндрическая оболочка 8, коаксиально охватывающая световод 1 и электролюминесцентный элемент 2 с управляющими линейными электродами 6, 7. В частности, в качестве такой оболочки 8 может быть использована имеющаяся оболочка вокруг сердцевины оптоволокна (световода 1).
Для повышения чувствительности и расширения рабочего диапазона измерений механических воздействий через усиление информативной светоотдачи электролюминесцентного элемента 2 датчик вибраций может быть выполнен биморфным и дополнительно содержать второй 9 пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый 3 и второй 9 пьезоэлектрические пластинчатые элементы 3, 9 имеют электроды 4, 10 на внешних поверхностях и разделены общим электродом 5. Электроды с одноименными (положительными или отрицательными) пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами (на фиг. 1 не показаны) и подключены к электролюминесцентному элементу 2, вызывая его информативное свечение. Поляризация пластин по толщине может быть взаимо сонаправленной или противоположно направленной в зависимости от вида диагностируемых вибраций, в частности, для изгибных вибраций имеем сонаправленную, а для вибраций давления - противоположно направленную поляризацию пластин по толщине.
Конструктивно биморфный датчик вибраций давления может быть выполнен по спиральному типу (фиг. 2, 3), когда входящие «при намотке» в контакт одноименные (по знаку возникающих на них зарядов) электроды 4, 10 на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических пластин биморфа могут быть объединены в один общий электрод 10.
Для диагностики механических воздействий (давления, вибраций) на протяженных участках объекта и определения локаций неоднородностей амплитуд и частоты механических воздействий по длине датчика может быть создан дискретно распределенный (составной) датчик (фиг. 3). Для его создания, однотипные одиночные датчики 11-18 последовательно (на малом расстоянии между собой) расположены на единых световоде 1 и двух управляющих внутренних линейных электродах 6, 7.
Датчик может быть помещен во внутрь защитной полимерной оболочки (на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 не показана). Защитная полимерная оболочка датчика необходима для защиты от механических повреждений, фиксации заданного взаимного расположения и ориентаций измерительных элементов внутри объема датчика и для механической трансляции на измерительные элементы лишь однородной макроскопической (осредненной) составляющей действующего (в частности, со стороны диагностируемой микронеоднородной композитной конструкции) в окрестности внешней границы буферного слоя микронеоднородного напряженного состояния.
Устройство работает следующим образом.
Механические поля воздействуют на пьезоэлектрические элементы 3, 9 с возникновением на их гранях в силу «прямого пьезоэффекта» электрических зарядов, которые передаются по электродам 4, 5, 10 на электролюминесцентный элемент 2, создавая на нем электрическое напряжение, которое суммируется (по принципу суперпозиции полей) с электрическим напряжением на нем от действия управляющего 0 электрического напряжения на внутренних линейных управляющих электродах, в частности, 6, 7. Результирующее электрическое напряжение на электролюминесцентном элементе 2 обуславливает его свечение, которое проникает в световод 1 и передается по нему к приемнику-анализатору интенсивности оптических сигналов на выходе из световода 1.
Приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов включает в себя программное обеспечение, использующее один или несколько, в частности, два алгоритма цифровой обработки интенсивностей регистрируемых оптических сигналов на выходе из световода 1, согласно которым управляющее электрическое напряжение по длине электродов 6, 7 может быть, например, как постоянной (по длине электрода) величиной, так и в виде бегущего по электродам 6, 7 локационного электрического импульса, отличного от нуля лишь на локальном участке с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения по электродам 6, 7.
Подтверждение заявленных технических результатов: определение характеристик механического воздействия (вибрационного давления) в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повышение чувствительности для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий, расширение диапазона измеряемых характеристик механических воздействий, получено в результате проведенных численных экспериментов на основе разработанных двух алгоритмов, закладываемых в программное обеспечение приемника-анализатора цифровой обработки интенсивности оптических сигналов на выходе из световода, для локаций неоднородностей напряженного состояния (давления) по длине датчика:
- первый алгоритм с использованием локационного сканирующего электрического видеоимпульса с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения исследуемого локального участка,
- второй алгоритм с использованием локационной сканирующей бегущей гармонической волны с варьированием амплитуды.
Светоотдача светодиода задавалась «S-образной» кривой зависимости интенсивности свечения от приложенного к светодиоду электрического напряжения с характерными точками заданных пороговых напряжений для начала свечения и для начала насыщенного свечения светодиода.
Результаты обработки интенсивности световых сигналов на выходе из световода заявляемого датчика позволили определить характеристики вибраций в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий и расширить диапазон измеряемых характеристик вибраций.
Кроме того, для диагностики вибраций на протяженных участках объекта и определения локаций неоднородности амплитуд и частоты вибраций по длине датчика может быть использован составной датчик, включающий однотипные заявляемые датчики, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.