СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
METHOD TO MANUFACTURE PIEZOELECTRIC PRESSURE GAUGE

Изобретение относится к технологии приборостроения и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения медленно возрастающих давлений, а также сигнализации о достижении такими давлениями некоторых наперед заданных критических уровней.
Известен способ изготовления пьезокерамических датчиков, основанный на склеивании пьезоэлементов в единый пьезопакет эпоксидными клеями с введением в клеевой шов токопроводящих элементов, в качестве которых используют порошки металлов и других электропроводящих веществ: серебра, графита, никеля, молибдена и т.п. [1].
Недостатком известного способа является большая нестабильность эффективности, добротности и резонансной частоты получаемых пьезодатчиков из-за значительного разброса толщины клеевых швов между пьезоэлементами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления, заключающийся в том, что пьезоэлементы с электродами размещают между основанием и силопередающим элементом, образующийся в результате пьезопакет стягивают с усилием в тонкостенном кожухе, который сопрягают и приваривают по периметру с одного конца к основанию, а с другого - к силопередающему элементу [2].
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает точное измерение изготавливаемым датчиком медленно возрастающих давлений. Это обусловлено тем, что если давление на датчик возрастает медленно, то скорость накопления электрического заряда на электродах пьезоэлементов оказывается соизмеримой со скоростью «стекания» электрического заряда с них на корпус и (или) во входные цепи усилителя, и, как следствие, возрастает погрешность пьезопреобразователя.
В данной заявке решается задача повышения точности измерения медленно возрастающих наперед заданных значений статических давлений за счет использования установленных авторами проявлений в пьезокерамике эффекта Кайзера (акустико-эмиссионного эффекта памяти).
Для решения поставленной задачи в способе изготовления пьезоэлектрического датчика давления, заключающемся в том, что пьезоэлементы с электродами размещают между основанием и силопередающим элементом, образующийся в результате пьезопакет стягивают с усилием в тонкостенном кожухе, который сопрягают и приваривают по периметру с одного конца к основанию, а с другого - к силопередающему элементу, дополнительно перед сборкой пьезопакета каждый входящий в него пьезоэлемент подвергают статическому механическому нагружению давлением, индивидуальным для каждого пьезоэлемента и превышающим давление, которому подвергаются пьезоэлементы при стягивании в пьезопакет.
В качестве физической предпосылки предлагаемого способа выступает установленный авторами экспериментально факт формирования и проявления в пьезокерамике эффекта Кайзера, называемого также акустико-эмиссионным эффектом памяти. Суть этого эффекта заключается в невоспроизводимости активности акустической эмиссии (АЭ) в процессе циклического нагружения соответствующего материала при напряжениях (давлениях), меньших максимально достигнутого ранее (в предшествующем цикле нагружения) значения напряжения и скачкообразном возрастании активности АЭ при достижении указанного значения.
Способ изготовления пьезоэлектрического датчика иллюстрируется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 схематично показана конструкция датчика, изготавливаемого предлагаемым способом, а на фиг.2 - зависимость изменения скорости счета
акустической эмиссии во времени t в функции от величины медленно возрастающего измеряемого давления Р, действующего на датчик.
Представленный на фиг.1 датчик содержит дисковые пьезоэлементы 1, 2, 3, 4 с электродами на верхней и нижней поверхностях каждого из них, притом число пьезоэлементов может меняться от 1 до N в зависимости от числа дискретных уровней давлений Р
, которое датчик должен измерять. Пьезоэлемент 1 подвергнут статическому механическому нагружению давлением P
, пьезоэлемент 2 - нагружению давлением Р
>P
, пьезоэлемент 3 - нагружению давлением Р
>Р
, пьезоэлемент 4 - нагружению давлением Р
>Р
. Пьезоэлементы 1-4 собраны в единый пьезопакет, который стянут с исходным усилием (обеспечивающим исходное давление Р
<P
) между основанием 5 и силопередающим элементом 6 в тонкостенном кожухе 7. Кожух 7 сопряжен и скреплен с помощью сварки по своему периметру с одного конца с основанием 5, а с другого - с силопередающим элементом 6. Пьезоэлементы 1-4 соединены электрически параллельно с помощью изолированных проводов 8 и 9, размещенных внутри тонкостенного кожуха 7, проходящих через специальные пазы в основании 5 и являющихся составной частью внешнего двухпроводного кабеля 10, соединяющего датчик с прибором для измерения скорости счета акустической эмиссии (на фиг.1 условно не показан).
i
1
2
1
3
2
4
3
и
1
На фиг.2 представлены: график 11 изменения во времени t медленно возрастающего давления Р, воздействующего на датчик; график 12 изменения во времени t скорости счета
акустической эмиссии на выходе датчика при воздействии на него возрастающего давления Р. На графике 12 показаны ступени 13-16 скачкообразного возрастания скорости счета
акустической эмиссии в моменты времени t
, t
, t
и t
, когда воздействующее на датчик измеряемое давление достигает соответственно значений Р
, Р
, Р
и Р
.
1
2
3
4
1
2
3
4
Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления реализуется следующим образом. Пьезоэлементы 1, 2, 3, 4 подвергаются механическому нагружению статическими давлениями P
, Р
, Р
и Р
, соответственно. При этом значения давлений Р
, Р
, Р
и Р
выбираются индивидуальным для каждого пьезоэлемента и определяются теми дискретными значениями давлений, для измерения которых датчик предназначен. Далее пьезоэлементы собирают в единый пьезопакет, который устанавливают на основание 5, а затем соединяют электрически параллельно. Для этого электроды пьезоэлементов 1-4 с положительным зарядом поляризации при их нагружении припаивают к проводнику 8, а с отрицательным зарядом поляризации при их нагружении - к проводнику 9. Проводники 8 и 9 электрически изолируют и размещают в специальных пазах в основании 5, а затем припаивают к двухпроводному кабелю 10, который служит для подключения датчика к прибору для измерения и регистрации скорости счета акустической эмиссии. Сверху пьезоэлемента 1 размещают силопередающий элемент 6, путем воздействия на который давлением Р
<P
пьезоэлементы стягивают в единый пьезопакет, жесткость конструкции которого обеспечивают путем фиксации его стянутого состояния с помощью тонкостенного кожуха 7, в котором размещают пьезоэлемент и который по своему периметру сопрягают и сваривают с одного конца с основанием 5, а с другого - с силопередающим элементом 6.
1
2
3
4
1
2
3
4
и
1
Исходное давление Р
стягивания пьезоэлементов 1-4 в единый пьезопакет выбирают таким, чтобы оно было меньше наименьшего из давлений Р
, Р
, Р
и Р
, с которыми предварительно перед сборкой в пьезопакет нагружают указанные пьезоэлементы, соответственно. Это обусловлено тем, что, согласно эффекту Кайзера, пьезоэлементы 1-4 «запоминают» максимальное испытанное ранее давление, а значит, давление Р
, которое меньше P
и, Р
и Р
и Р
, не будет «запомнено» ни одним из пьезоэлементов 1-4 и не будет оказывать помеховое (неинформативное) влияние на сигналы датчика.
и
1
2
3
4
и
1
2
3
4
При увеличении подлежащего измерению давления Р 11 (см. фиг.2) и достижении этим давлением значения Р
в соответствии с эффектом Кайзера в пьезоэлементе 1 произойдет скачкообразное увеличение активности акустической эмиссии, что на графике 12 скорости счета
акустической эмиссии отразится в виде ступени 13 скачкообразного увеличения скорости счета
в момент времени t
. Дальнейшее увеличение измеряемого давления приведет к последовательному проявлению эффекта Кайзера в пьезоэлементах 2, 3 и 4, то есть скачкообразному увеличению активности акустической эмиссии в них, что на графике 12 скорости счета
отразится в виде ступеней 14, 15, 16 скачкообразного увеличения скорости счета
в моменты времени t
, t
, t
. В силу прямого пьезоэффекта скачкообразное возрастание активности акустической эмиссии в моменты времени t
, t
, t
, t
приведет к скачкообразному изменению величины электрического заряда на электродах пьезоэлементов 1, 2, 3, 4, а значит, и выходного электрического потенциала датчика, поступающего на кабель 10. При этом, поскольку скорость нарастания зарядов на электродах пьезоэлементов оказывается существенно больше скорости стекания этих зарядов на корпус датчика (и во входные цепи устройства для измерения параметров акустической эмиссии), и, кроме того, электрические сигналы на входе датчика возникают только при условии, когда величина измеряемого давления Р точно соответствует известным величинам давлений Р
, Р
, Р
и Р
, до которых были предварительно нагружены пьезоэлементы 1, 2, 3 и 4, соответственно, то датчик, изготовленный по предлагаемому способу, обеспечивает высокоточное измерение дискретных значений медленно возрастающего давления.
1
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Важно также, что предложенный способ позволяет изготавливать датчик давления, в котором пьезоэлементы одновременно исполняют роль и источников и приемников сигналов акустической эмиссии, несущих информацию о достижении медленно возрастающим давлением наперед заданных фиксированных значений. Это также повышает точность измерений дискретных уровней давлений, так как исключает неизбежные помехи, возникающие при наличии любых промежуточных элементов преобразования давления в электрический сигнал.
Экспериментальная проверка датчика давления, изготовленного в соответствии предлагаемым способом, осуществлялась с использованием испытательного пресса ИП-50М-авто (внесенного в Госреестр средств измерений РФ под №34287-07) и акустико-измерительного комплекса A-Line 32D. Пресс обеспечивал изменение и измерение нагрузки на датчик в пределах от 0,001 до 50 кН в диапазоне скоростей нагружения от 0,05 до 5 кН/с. Во всем указанном диапазоне относительная погрешность датчика давления в дискретных точках измерения, на давление в которых были заранее настроены соответствующие пьезоэлементы, не превышала 0,5%.
Источники информации
1. Патент США №4069083, кл. 156-329, 1976 г.
2. Патент RU №2339013, МПК G01L 9/08, опубл. 20.11.2008, Бюл. изобр. №32.