ДАТЧИК ВИБРАЦИЙ
VIBRATION SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения вибраций, давления и/или объемного напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики давления, вибраций, напряженного состояния, 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 вибраций [Ла 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] для визуализации и мониторинга динамической вибрационной нагрузки. Датчик состоит из пьезоэлектрической пластины с наружными электродами, подключенными к электролюминесцентному слою на торце пластины. Возникающие на электродах при вибрации пьезопластины электрические заряды приводят к свечению электролюминесцентного слоя. Механолюминесцентный эффект в датчике появляется в результате связи пьезоэлектрического и электролюминесцентного эффектов, интенсивность свечения зависит от величины и частоты вибрации. Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический пластинчатый элемент, электроды, нанесенные на боковые поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, электролюминесцентный слой, расположенный на торце пьезоэлектрического пластинчатого элемента и контактирующий с электродами, нанесенными на боковые поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента.
Недостатками известной конструкции, принятой за прототип, являются: невозможность определения характеристик вибрации в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики; низкая чувствительность при диагностике малых амплитуд и низких частотах вибраций. Кроме того, известный датчик не является распределенным датчиком.
Задачей изобретения является разработка датчика, позволяющего определить характеристики вибрации в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах вибраций и расширить диапазон измеряемых характеристик вибрации.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известный датчик вибраций, содержащий пьезоэлектрический пластинчатый элемент, электроды, нанесенные на боковые поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, электролюминесцентный слой, расположенный на торце пьезоэлектрического пластинчатого элемента и контактирующий с электродами, нанесенными на боковые поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, согласно изобретению дополнительно введены световод, расположенный внутри пьезоэлектрического пластинчатого элемента, перпендикулярно его торцу и проходящий через электролюминесцентный слой, два управляющие внутренние линейные электроды, расположенные на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду и проходящие последовательно через пьезоэлектрический элемент и электролюминесцентный слой.
Датчик может быть помещен во внутрь полимерной буферной цилиндрической оболочки.
Датчик может быть выполнен составным, включающим однотипные одиночные заявляемые датчики вибраций, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: световод, расположенный внутри пьезоэлектрического пластинчатого элемента, перпендикулярно его торцу и проходящий через электролюминесцентный слой; два управляющие внутренние линейные электроды, расположенные на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду и проходящие последовательно через пьезоэлектрический элемент и электролюминесцентный слой; датчик помещен во внутрь полимерной буферной цилиндрической оболочки; датчик выполнен составным, включающим однотипные одиночные заявляемые датчики вибраций, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют датчику определить характеристики вибрации в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах вибраций, расширить диапазон измеряемых характеристик вибрации.
Датчик вибраций иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 -4.
На фиг. 1 изображена проекция датчика вибраций на горизонтальную плоскость проекций.
На фиг. 2 изображена проекция датчика вибраций на фронтальную плоскость проекций.
На фиг. 3 изображена проекция датчика вибраций на профильную плоскость проекций.
На фиг. 4 изображена проекция фрагмента дискретно распределенного (составного) датчика вибраций на профильную плоскость проекций.
Датчик вибраций (фиг. 1-3) содержит пьезоэлектрический пластинчатый элемент 1, электроды 2, нанесенные на две противоположные боковые поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента 1. На торце пьезоэлектрического пластинчатого элемента 1 расположен электролюминесцентный слой 3, контактирующий с электродами 2, нанесенными на боковые поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента 1. Внутри пьезоэлектрического пластинчатого элемента 1, перпендикулярно его торцу расположен световод 4, проходящий через электролюминесцентный слой 3 и между боковыми электродами 2. Параллельно световоду 4, перпендикулярно торцу пьезоэлектрического пластинчатого элемента 1 расположены на некотором расстоянии друг от друга два управляющие внутренние линейные электроды 5, проходящие последовательно через пьезоэлектрический элемент 1 и электролюминесцентный слой 3. Управляющее электронапряжение на линейных электродах 5 позволяет управлять световым потоком, исходящим из электролюминесцентного слоя 3, проникающим внутрь световода 4 и передающемся по световоду 4 к приемнику-анализатору интенсивности светового потока на выходе из световода 4.
Датчик может быть помещен во внутрь полимерной буферной цилиндрической оболочки (на чертежах не показана).
Датчик может быть выполнен дискретно распределенным (составным) (фиг. 4), включающим однотипные одиночные заявляемые датчики вибраций, последовательно (на малом расстоянии между собой) расположенные на единых световоде 4 и двух управляющих внутренних линейных электродах 5. Составной датчик может быть использован для диагностики вибраций на протяженных участках объекта и определения локаций неоднородностей амплитуд и частоты вибраций по длине датчика. Устройство работает следующим образом.
Механические вибрации воздействуют на пьезоэлектрический элемент 1 с возникновением в нем (пьезоэффект) электрического поля, которое накладывается (суперпозиция) на электрическое поле от действия электрического напряжения на внутренние линейные управляющие электроды 5. Результирующее электрическое поле воздействует на электролюминесцентный слой 3, вызывая его свечение, проникающее в световод 4 и передающееся по нему к приемнику-анализатору на выходе из световода 4.
Управляющее напряжение по длине электродов 5 может быть, например, как постоянной (по длине электрода) величиной, так и в виде бегущего по электроду локационного электрического видеоимпульса прямоугольной формы, отличного от нуля лишь на локальном участке с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения по электроду.
Буферный слой датчика необходим 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. Для случая, когда в поперечном сечении размер измерительных элементов датчика соизмерим с характерным размером неоднородностей, в частности, для полимерного волокнистого композита.
Подтверждение заявленных технических результатов: определение характеристик вибрации в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики; повышение чувствительности для диагностики малых амплитуд и низких частотах вибраций; расширение диапазона измеряемых характеристик вибрации получено в результате проведенных численных экспериментов на основе разработанных двух алгоритмов локаций неоднородностей напряженного состояния 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.
Численные экспериментальные испытания показали, что заявляемый датчик позволяет определить характеристики вибрации в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах вибраций, расширить диапазон измеряемых характеристик вибрации.