ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, к тензометрическим средствам измерений и анализа стационарных и динамических напряженно-деформированных состояний упругого чувствительного элемента (измерительной мембраны консольно-балочного типа) вследствие воздействия на его поверхность физических величин, в частности скоростного напора газовых или жидкостных потоков, преобразуемых в электрический сигнал, и может быть применено в экспериментальной аэродинамике для измерения скорости движения воздуха, а также для визуализации воздушного потока (ВП) при проведении аэродинамических испытаний как на аэродинамических поверхностях, так и на объектах окружающего пространства, в полевых натурных условиях.
Известны методы и устройства регистрации и визуализации стационарных и динамических оптически прозрачных газовых сред, в том числе для изучения движения воздуха (параметров атмосферы): от бесконтактных лазерных оптических систем темоанемометрии [Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. Издательство Казанского государственного технического университета, г. Казань, 2007 г.] до контактных физических методов, считающихся наиболее развитыми. В последних в качестве основного средства измерения применяются анемометры, состоящие из трех основных частей: приемное устройство (чувствительный элемент, первичный преобразователь), вторичный преобразователь (механический, пневматический или электронный) и отсчетное устройство (индикатор, дисплей и т.п.) [Интернет-сайт http://www.ahlborn.com. Датчики воздушного потока ALMEMO].
Для визуализации аэродинамических спектров широко используется контактный метод с использованием шелковинок, состоящий в том, что в интересующих местах на поверхность обтекаемого тела наклеиваются специальные тонкие шелковые нити или тонкие полоски, которые при обдуве тела располагаются вдоль обтекающих тело струек. По положению шелковинок (полосок) судят о направлении и характере движения потока вблизи поверхности тела [Патент на изобретение RU 2344398. Устройство и способ для автоматического изготовления ленты с нитями визуализации воздушных потоков на аэродинамических поверхностях].
В практике наибольшее применение нашли простейшие контактные анемометры прямого преобразования, работающие в движущихся потоках [Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с.; Рыжов С.Н. Устройства для контроля за потоками жидкостей и газов. Датчики потока/Датчики и системы. Москва, 2007. №9, с. 38-40]:
1. Датчики-флюгеры с вращающимися лопастями от простейших чашечных, винтовых, крыльчатых до более сложных [Патент на изобретение RU 2073872. Устройство для измерения скорости и направления горизонтального ветра]. В них скорость ВП определяется числом оборотов вращающейся под действием потока воздуха крыльчатки.
2. Калориметрические (тепловые) датчики - термоанемометры [Авторское свидетельство СССР на изобретение SU 1673986 А1. Устройство для измерения скорости газожидкостного потока]. В них «нагретая струна» охлаждается в проходящих потоках воздуха, меняя свое сопротивление пропорционально скорости ВП.
3. Заторможенные динамометрические датчики - пневмометрические трубки полного напора типа Пито - Прандтля и им подобные [Интернет-сайт http://www.ahlborn.com. Датчики воздушного потока ALMEMO]; имеют два канала, соединяемые шлангами со штуцерами дифференциального манометра. Они воспринимают полное и статическое давление в воздуховоде, по которым вторичный преобразователь измеряет динамический напор, на основе которого вычисляются скорость потока и объемный расход. Такие пневмометрические трубки являются устройствами строго направленного действия.
Основным недостатком контактных анемометров прямого преобразования является их инерционность и, как следствие, ограниченность быстродействия при изменении скорости напора ВП и его направления. А также невозможность визуализации в реальном масштабе времени мгновенной скорости и его направления.
Тем не менее в дифференциальных комбинированных анемометрах используемых совместно с трубкой Пито (например, промышленно выпускаемый дифференциальный анемометр типа Testo 521, внесен в Государственный Реестр Средств измерений РФ) в качестве прецизионных сенсоров во встроенных или выносных зондах широко используются тензорезистивные преобразователи [Интернет-сайт http://www.testo.com. Приборы для измерения давления и охлаждения].
Известно устройство для измерения скорости газожидкостного потока [Авторское свидетельство СССР на изобретение SU 1673986 А1], состоящее из комбинации двух чувствительных элементов, выполненных из микропроволоок полупроводника (нитевидного кристалла), включенных в смежные плечи измерительного моста, один из которых работает в режиме термоанемометра при малых скоростях ВП, а другой в основном режиме тензорезистора. В набегающих газожидкостных потоках основной тензорезистор прогибается, увеличивая свою длину и получая деформацию, являющуюся функцией скорости потока. Основными недостатками устройства являются анизотропность материала - сильная зависимость кристаллографической оси проволочного полупроводника от вектора скорости при невозможности регистрации этого направления; малая контактная (взаимодействующая с ВП) площадь и низкие упругоэластичные свойства, и, как следствие, низкий тензорезистивный эффект.
При большом разнообразии типов тензорезисторов [ГОСТ 21616-91. Тензорезисторы. Классификация], тензометрических методов [ГОСТ Р52728-2007. Метод натурной тензотермометрии] и номенклатуры, выпускаемых промышленностью тензорезистивных преобразователей и датчиков на их основе [Тензорезисторы и аксессуары: Достоверные измерения и прогнозы. Интернет-сайт WWW.hmb.ru; Strain Gauges: Precise @ Flexible.Tokyo Sokki Kenkyujo Co., LTD. Интернет-сайт WWW.tml.jp/e] тензорезистивные анемометры прямого преобразования, работающие в прямом контакте в движущихся потоках газа или жидкости не нашли применения в практике.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является тензорезистивный преобразователь [Авторское свидетельство СССР 387234], содержащий упругий элемент с симметрично расположенными по отношению к его продольной оси по обеим сторонам тензочувствительными элементами, выполненными в виде многослойной тонкопленочной конструкции с четным числом последовательно соединенных тензочувствительных слоев, разделенных изолирующими пленками и образующий сенсорную консольную балку, работающую на изгиб. Тензочувствительные слои, расположенные по обеим сторонам изолирующей подложки, имеют общий электрический вывод и соединены в полумостовую (мостовую) электрическую схему [Панфилов В.А. Электрические измерения, «Академия», 2006 г.]. Под действием силы, приложенной к незакрепленному концу преобразователя, изгибается упругий элемент. Тензочувствительные слои, расположенные на одной стороне подложки, растягиваются, а на другой сжимаются. Сжатие и растяжение тензослоев изменяет их электрические сопротивления: с одной стороны подложки сопротивление уменьшается, а с другой стороны увеличивается. При таком включении тензочувствительных слоев (тензорезисторов) в смежные плечи измерительного моста электрический сигнал, пропорциональный перемещению от возмущающего воздействия, удваивается. Планарное или сэндвич изготовление попарных тензочувствительных слоев в четном количестве повышает коэффициент полезного действия соответственно на единицу площади или объема. Следовательно, информацию о векторе силы ортогонально приложенной сосредоточенной или равномерно распределенной по поверхности сенсорной консоли (например, динамического давления или скоростного напора потока) можно получить из деформации изгиба консоли в одну или другую противоположную сторону (инверсия знака вектора силы).
x
x
x
x
x
x
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
Известно, что изгибная жесткость EJ, определяемая как способность упругой консоли сопротивляться изгибу, равна произведению модуля упругости Е материала консоли на момент инерции J=bh/12 (где b - ширина, h - толщина) сечения консоли и может быть мягкой при Е<100 МПа или жесткой при Е>1000 МПа. При этом всегда является фиксированной величиной. Зависимость коэффициента упругости k консоли от ее размеров и свойств материала k=F/δ=EJ/4l=Ebh/4l, где F - приложенная сила: сосредоточенная или равномерно распределенная F=ql, l - длина консоли. При этом отклонение свободного конца консоли δ=ml/2EJ(1-ml/12(EJ)), где m - реактивный момент: для сосредоточенной силы m=Fl; для равномерно распределенной силы m=ql/2. Следовательно, при большой изгибной жесткости EJ консоли для получения требуемого тензорезистивного эффекта ΔR/R=KΔδ/δ (K-фактор) требуются значительные возмущающие воздействия силы (F, q). При мягкой изгибной жесткости, имеющей высокую чувствительностью к малым возмущениям, рост нагрузки приводит к пластическому излому - обратимой деформации (вынужденной эластичности) сенсорной консоли вблизи ее защемления (крепления, основания).
x
max
x
max
x
4
3
Следовательно, основным недостатком такого устройства является малый динамический диапазон преобразуемых внешних воздействий из-за фиксированной изгибной жесткости EJ=const консольной балки, определяемой формой и размерами ее конструкции и упругоэластичной константой материала. Кроме того, в пределах чувствительности и для жесткой и для мягкой изгибной жесткости имеет место проблема квадратичной и кубической зависимости свойств сенсорной консоли от ее размеров. При равномерно распределенной нагрузке q≠0 по площади S=lb консоли ее максимальный изгиб соответствует δ≈Vl/8EJ, а максимальный угол изгиба консоли составляет Θ≈1/ρ≈Vl/6EJ (где ρ - радиус кривизны, V - вектор силы, скоростной напор ВП).
0
0
эфф
эфф
Более того, поскольку коэффициент упругости k связан с резонансной частотой консоли ω по закону гармонического осциллятора ω=√k/m (где m - эффективная масса консоли), то изменение силы, приложенной к консоли, приводит к сдвигу резонансной частоты. В результате, на преобразуемый сигнал будут накладываться пульсации, амплитуда и частота которых зависит как от величины, так и направления возмущающей силы.
Таким образом, наличие фиксированной изгибной жесткости сенсорной консоли препятствует увеличению динамического диапазона преобразуемых внешних воздействий: жесткая упругость ограничивает порог чувствительности сенсорной консоли; мягкая изгибная жесткость, с ростом динамического давления на ее поверхность S, и соответственно увеличеним изгиба δ приводит к ее пластическому излому.
Заявленное изобретение предназначено для расширения динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков, преобразуемых в электрический сигнал при прямом контактном преобразовании посредствам фольгового тензорезистивного преобразователя, выполненного в виде тонкопленочной упругопластичной сенсорной консоли с мягкой изгибной жесткостью.
При его осуществлении может быть получен следующий технический результат: расширение динамического диапазона регистрации скоростного
напора (динамического давления) ВП при его преобразовании в электрический сигнал с одновременным
- уменьшением инерционности;
- уменьшением пульсаций с ростом скоростного напора;
- определением вектора скорости ВП с возможностью регистрации его мгновенной составляющей, в том числе при его инверсии;
- прямой визуализацией направления ВП; и
- существенным упрощением конструкции по сравнению с аналогами.
Технический результат достигается тем, что в известном тензорезистивном преобразователе, содержащем: измерительный мост, индикатор и сенсорную консоль, последняя выполнена из упругой подложки тонкопленочного эластичного полимера, двух или четырех фольговых тензорезисторов, планарно и (или) попарно расположенных на противоположных сторонах подложки, продольные оси которых симметричны относительно ее продольной оси и параллельны между собой, при этом сенсорная консоль ориентирована ортогонально вектору приложенной силы и работает на изгиб. В результате образуется электрический сигнал, пропорциональный величине упругой деформации на изгиб соответственно приложенной силе.
Согласно изобретению признаками, отличающими изобретение от прототипа, являются:
1) введение кольцевого сегмента, кривизна поверхности которого соответствует максимально возможному упругому изгибу сенсорной консоли с предотвращением ее излома при вынужденной эластичности;
2) выполнение кольцевого сегмента с проницаемой поверхностью;
3) введение хонейкомба и флюгерного элемента, расположенных ортогонально с фронтальной и тыльной сторонами сенсорной консоли соответственно.
4) выполнение стороны хонейкомба, обращенной к сенсорной консоли с кривизной поверхности, соответствующей максимально возможному
упругому изгибу сенсорной консоли с предотвращением ее излома при вынужденной эластичности при инверсном направлении ВП.
Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно расширение динамического диапазона регистрации скоростного напора ВП при его преобразовании в электрический сигнал с одновременным
- уменьшением инерционности;
- уменьшением пульсаций с ростом динамического давления;
- определением вектора скорости ВП с возможностью регистрации его мгновенной составляющей, в том числе при инверсии вектора скорости;
- прямой визуализацией направления ВП; и
max
max
- существенным упрощением конструкции по сравнению с аналогами достигается за счет того, что максимально возможный упругий изгиб δ сенсорной консоли, с мягкой изгибной жесткостью и высокой чувствительностью к малым возмущениям, с ростом динамического давления q и соответственно с ростом деформации ограничивается кривизной ρ=r=const поверхности кольцевого сегмента, соответствующей максимально возможному упругому изгибу Θ≈1/ρ сенсорной консоли и предотвращающей ее излом при вынужденной эластичности. При этом заданная кривизна r поверхности кольцевого сегмента и (или) контактирующей с сенсорной консолью стороны хонейкомба гасят шумовые пульсации - гармонические осцилляции, вызванные наличием собственных резонансных частот сенсорной консоли. Кроме того, выполнение кольцевого сегмента с проницаемой поверхностью в виде детурбулизирующей сетки уменьшает турбулентность потока в рабочей зоне сенсорной консоли и неравномерность поля скоростей, особенно при инверсии вектора скоростного напора. Введенные хонейкомб и флюгерный элемент ортогонально с фронтальной и тыльной сторон сенсорной консоли соответственно выравнивают ВП по направлению, разбивая крупные вихри, и уменьшают неравномерность распределения продольных скоростей.
max
На фиг. 1 изображено заявленное устройство, содержащее, по направлению распространения фронта ВП со скоростью V: сенсорную консоль 1, выполненную из упругой подложки 2 тонкопленочного эластичного полимера и двух или четырех фольговых тензорезисторов 3 с выводами 4; 5 - кольцевой сегмент, с радиусом r=ρ≈1/Θ=const кривизны; 6 - основание, 7 - измерительный мост, плечи которого попарно соединены выводами 4 тензорезисторов 3 в мостовую схему, индикатор 8 и источник 9 питания. Штрихпунктирной линией показано рабочее (до излома) отклонение сенсорной консоли при инверсном направлении ВП.
i
На фиг. 2 условно показан в изометрии общий вид устройства, на котором обозначены, с учетом позиций, изображенных на фиг. 1: сенсорная консоль 1, выполненная из упругой подложки 2 тонкопленочного эластичного полимера и двух или четырех фольговых тензорезисторов 3 с выводами 4; 5 - кольцевой сегмент с радиусом r кривизны; 6 - основание, 10 - хонейкомб и 11 - флюгерный элемент. При этом сенсорная консоль 1, кольцевой сегмент 5 и хонейкомб 10 условно разнесены в пространстве по оси ОХ. Хонейкомб выполнен в виде ячеистой конструкции, состоящей из множества i-трубок с тонкими стенками, продольные размеры x которых значительно превышают их поперечные у, z составляющие.
G1
G2
G1
G2
G3
G4
G1
G2
1
2
G1
G2
G3
G4
Тензорезистивный преобразователь содержит сенсорную консоль 1, которая выполнена из упругой подложки 2 тонкопленочного эластичного полимера, двух (R, R) или четырех (R, R, R, R) фольговых тензорезисторов 3, планарно и попарно расположенных на противоположных сторонах подложки 2, продольные оси которых симметричны относительно ее продольной оси и параллельны между собой, и электрических выводов 4 со стороны крепления подложки у основания 6. Смежные плечи измерительного моста 7 попарно соединены электрическими выводами 4 с фольговыми тензорезисторами 3 в полумостовую схему для двух активных R, R тензорезисторов (R, R - балансные постоянные сопротивления, показаны на фиг. 1 штриховыми линиями) или полномостовую схему для четырех активных R, R, R, R тензорезисторов. Индикатор 8 включен в измерительную диагональ измерительного моста 7, другая диагональ которого соединена с источником 9 напряжения U питания.
возд
возд
0
2
Сенсорная консоль 1 ориентирована ортогонально вектору V приложенной силы - скоростному напору q (динамическому давлению). Согласно уравнению Бернулли это позволяет преобразовывать кинетическую энергию ВП (V) в потенциальную энергию давления q изоэнтропически заторможенного газа: q=ρV/2, где ρ и V - плотность и скорость ВП, соответственно [Гарбузов В.М. и др. Аэромеханика: Учебн. для студентов вузов. - М.: Транспорт, 2000]. В исходном состоянии при отсутствии скоростного напора (при V=0, и, соответственно q=0) сенсорная консоль находится в равновесном состоянии изгиб |δ| и деформация изгиба |Δδ| равны нулю, соответственно ε=ΔR/R=KΔδ/δ=0. При этом угол изгиба Θ=0 и радиус кривизны сенсорной консоли ρ=1/Θ~∞.
0
0
0
S
0
0
S
0
S
Отношение между деформацией ε и выходным напряжением u определяется: для полумостового включения - u=U/2·Kε; для полномостового включения - u=U·Kε, где K - К-фактор. При указанном включении тензорезисторов в плечи измерительного моста 7 деформация продольного (по осям плоскости S=lb) сжатия/растяжения исключена, возможна только деформация на δ-изгиб при прямом направлении распространения ВП или  δ-изгиб при обратном инверсном направлении.
G1
G3
G2
G4
G1
G3
G2
G4
G1
G3
G2
G4
0
Устройство работает следующим образом. Под действием отличного от нуля скоростного напора ВП (q≠0), распределенного по поверхности S=lb сенсорной консоли 1, последняя изгибается на величину |δ|. Если вектор скорости V имеет прямое направление (как показано на чертежах), то тензорезисторы R и R растягиваются, a R и R  сжимаются. При инверсном направлении, наоборот: R и R  сжимаются, a R и R  растягиваются. Сжатие и растяжение фольговых тензорезисторов 3 приводит к тому, что изменяются их электрические сопротивления под действием компонентов механической энергии (деформации). Соответственно, с одной стороны упругой подложки электрические сопротивления тензорезисторов R и R увеличиваются/уменьшаются, а с другой стороны R и R - уменьшаются/увеличиваются. При таком включении тензорезисторов в смежные плечи измерительного моста 7 электрический сигнал u, пропорциональный перемещению от возмущающего воздействия, удваивается.
x
x
x
4
3
При малых величинах скоростного напора и фиксированной мягкой изгибной жесткости EJ=const выполняются соотношения изгиба δ≈Vl/8EJ и угла изгиба Θ≈1/ρ≈Vl/6EJ.
2
0
0
0
При отсутствии кольцевого сегмента 5 с ростом величины скоростного напора ВП при мягкой изгибной жесткости тонкопленочной сенсорной консоли и соотношения ее геометрических размеров как  сенсорная консоль, испытывая распределенное динамическое воздействие q по плоскости S=l·b стремится ориентироваться по направлению струек ВП (подобно тонким полоскам - шелковинкам в контактных методах визуализации аэродинамических спектров). Поскольку реактивный момент для равномерно распределенной силы соответствует m=ql/2, то рост нагрузки приводит к пластическому излому сенсорной консоли 1 в максимуме реактивного момента, находящегося вблизи ее защемленного конца у основания 6. Это приводит к тому, что Θ≠1/ρ, поскольку с ростом силы q угол Θ изгиба стремится к π/2, а радиус ρ кривизны сенсорной консоли в области пластического излома стремится к нулю. В результате нарушается отношение между деформацией ε и выходным напряжением u; электрический сигнал u становится непропорциональным возмущающему воздействию.
2
k
max
k
Наличие механически жесткого кольцевого сегмента 5 с кривизной поверхности r=ρ≈1/Θmax=const, соответствующей максимально возможному упругому изгибу сенсорной консоли, предотвращает ее излом в области максимума реактивного момента при вынужденной эластичности с повышением величины скоростного напора ВП. То есть с ростом V (q) сенсорная консоль отклоняется от исходного (при V=0) состояния равновесия. Максимальный реактивный момент m=ql/2 вблизи защемления изгибает сенсорную консоль до кривизны ρ, ограниченной соответствующим участком кольцевого сегмента 5 кривизной r. При этом площадь S контактной опоры сенсорной консоли 1 с кольцевым сегментом 5 возрастает и максимальный реактивный момент смещается в сторону свободного (не находящегося еще в контакте с кольцевым сегментом) конца сенсорной консоли. При больших значениях V=V сенсорная консоль облегает кольцевой сегмент так, что площадь контактной опоры увеличивается до размера, равного площади сенсорной консоли S=S=l·b. Поскольку с ростом V и соответственно с ростом площади контактной опоры длина свободного конца сенсорной консоли уменьшается, то уменьшаются и шумовые пульсации, вызванные наличием собственных резонансных частот сенсорной консоли.
0
0
0
0
0
0
При наличии кольцевого сегмента 5 предотвращается излом сенсорной консоли при вынужденной ее эластичности и соблюдается отношение между деформацией ε и выходным напряжением u и, соответственно, между электрическим сигналом u и возмущающим воздействием V (q). Наибольшее значение выходного напряжения u, пропорционального возмущающему воздействию, будет при выполнении соотношения l=πr/2, т.е. при длине l сенсорной консоли равной четверти окружности радиусом r. Закон пропорциональности между u, ε и V или q можно задать иной кривизной поверхности кольцевого сегмента, например клотоидой (спираль Корню, у которой кривизна изменяется линейно как функция длины l дуги, т.е. 1/r~l или r·l=const) или другими.
Выполнение кольцевого сегмента 5 с проницаемой поверхностью в виде детурбулизирующей сетки уменьшает турбулентность потока в рабочей зоне сенсорной консоли и неравномерность поля скоростей, особенно при инверсии вектора скоростного напора. Выравнивающее действие сетки основано на большем торможении больших по величине скоростей, так как потери давления на сетке пропорциональны квадрату скорости.
Введение хонейкомба 10 и флюгерного элемента 11 ортогонально с фронтальной и тыльной сторон сенсорной консоли 1 соответственно выравнивают ВП по направлению, разбивая крупные вихри, и уменьшают неравномерность распределения продольных скоростей.
i
i
i
Сторона хонейкомба 10, обращенная к сенсорной консоли, может быть выполнена так же, как и кольцевой сегмент с кривизной r поверхности, и контактировать с сенсорной консолью, предотвращая ее излом при вынужденной эластичности в инверсном направлении ВП (на фиг. 2 показана штрихпунктирной линией). Варьируя кривизной сечения хонейкомба - длинами x ячеек, соответственно, путями прохождения ВП по его i-м участкам, можно управлять интенсивностями q, распределяя их по площади S поверхности сенсорной консоли по определенному закону q(y, z).
Источники информации
1. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. Издательство Казанского государственного технического университета, г. Казань, 2007 г.
2. Интернет-сайт http://www.ahlborn.com. Датчики воздушного потока ALMEMO.
3. Патент на изобретение RU 2344398. Устройство и способ для автоматического изготовления ленты с нитями визуализации воздушных потоков на аэродинамических поверхностях.
4. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с.
5. Рыжов С.Н. Устройства для контроля за потоками жидкостей и газов. Датчики потока/Датчики и системы. Москва, 2007. №9, с. 38-40.
6. Патент на изобретение RU 2073872. Устройство для измерения скорости и направления горизонтального ветра.