Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры)
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Издательство:
Южный федеральный университет
Автор:
Янчич В. В.
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 304
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9275-0728-3
Артикул: 633285.01.99
Доступ онлайн
65 ₽
В корзину
Монография посвящена вопросам проектирования пьезоэлектрических виброизмерительных преобразователей (акселерометров), широко используемых для измерения параметров вибрационных и ударных ускорений в различных областях техники.
Приведены сведения о пьезоэлектрических материалах и пьезоэлементах, физико-технических основах работы акселерометров, их конструктивных схемах и технических
характеристиках. Рассмотрены механизмы влияния внешних факторов, воздействующих на акселерометры в реальных условиях эксплуатации. Описаны методики измерения основных характеристик акселерометров и сравнительной оценки их технического уровня.
Предназначена для инженеров, магистров, аспирантов и специалистов, работающих
по созданию и эксплуатации датчико-преобразующей аппаратуры для виброметрии,
а также в области пьезоэлектрического приборостроения. Может быть использована
в качестве учебного пособия для студентов старших курсов технических специальностей, обучающихся по направлениям «Пьезоэлектрическое приборостроение» и «Информационно-измерительная техника и технологии».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» НКТБ «Пьезоприбор» Факультет высоких технологий В. В. Янчич ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АКСЕЛЕРОМЕТРЫ) Ростов-на-Дону Издательство Южного федерального университета 2010
УДК 681.586
ББК В 397
Я 66
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Папко А. А.;
доктор технических наук, профессор Богуш М. В.;
кандидат технических наук, доцент Цыбрий И. К.;
кандидат технических наук, доцент Земляков В. Л.
Ответственный редактор:
доктор технических наук, профессор Панич А. Е.
Монография подготовлена и издана в рамках национального проекта
«Образование» по «Программе развития федерального государственного
образовательного учреждения высшего профессионального образования
“Южный федеральный университет” на 2007–2010 гг.»
Янчич В. В.
Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселеромет
ры): монография / В. В. Янчич. – Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2010. – 304 с. –
(Пьезоэлектрическое приборостроение. Т. 7).
ISBN 978-5-9275-0728-3
Монография посвящена вопросам проектирования пьезоэлектрических виброиз
мерительных преобразователей (акселерометров), широко используемых для измерения параметров вибрационных и ударных ускорений в различных областях техники.
Приведены сведения о пьезоэлектрических материалах и пьезоэлементах, физико-технических основах работы акселерометров, их конструктивных схемах и технических
характеристиках. Рассмотрены механизмы влияния внешних факторов, воздействующих на акселерометры в реальных условиях эксплуатации. Описаны методики измерения основных характеристик акселерометров и сравнительной оценки их технического уровня.
Предназначена для инженеров, магистров, аспирантов и специалистов, работающих
по созданию и эксплуатации датчико-преобразующей аппаратуры для виброметрии,
а также в области пьезоэлектрического приборостроения. Может быть использована
в качестве учебного пособия для студентов старших курсов технических специальностей, обучающихся по направлениям «Пьезоэлектрическое приборостроение» и «Информационно-измерительная техника и технологии».
ISBN 978-5-9275-0728-3
УДК 681.586
ББК В 397
© Янчич В. В., 2010
© Южный федеральный университет, 2010
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2010
Я 66
ОГЛАВЛЕНИЕ От автора .............................................................................................. 10 Введение .............................................................................................. 12 ГЛАВА 1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ .................................................................................. 15 1.1. Краткие сведения о пьезоэлектрических материалах ...... 15 1.2. Устройство и работа пьезоэлементов ................................ 24 1.3. Конструкции и способы изготовления многослойных пьезоэлементов .......................................... 35 ГЛАВА 2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА .................... 42 2.1. Основные измеряемые параметры виброколебаний ........ 42 2.2. Физические основы работы пьезоэлектрических акселерометров ................................. 44 ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ .................... 55 3.1. Коэффициенты преобразования ......................................... 56 3.2. Относительный коэффициент поперечного преобразования .................................................................... 57 3.3. Рабочий диапазон ускорений ............................................. 65 3.4. Рабочий диапазон частот .................................................... 68 3.5. Рабочий диапазон температур ............................................ 75 ГЛАВА 4. ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТУ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА .................... 81 4.1. Классификация внешних влияющих факторов ................ 81 4.2. Влияние механических факторов ...................................... 84 4.2.1. Влияние деформаций контролируемого объекта ...................................................................... 84 4.2.2. Влияние давления и акустического поля ............... 89 4.2.3. Влияние неизмеряемых вибраций .......................... 91 4.2.4. Влияние интенсивных вибраций и ударов ............. 93 4.3. Влияние электрических и магнитных полей .................... 97 4.3.1. Влияние переменного магнитного поля ................. 97 4.3.2. Влияние токов в контурах заземления ................. 101
4.4. Влияние температуры ....................................................... 105 4.4.1. Влияние постоянной температуры ....................... 105 4.4.2. Влияние температурных колебаний ..................... 110 4.5. Влияние гидрохимических свойств окружающей среды .. 113 4.6. Влияние проникающей радиации .................................... 114 ГЛАВА 5. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ .................. 117 5.1. Классификация пьезоэлектрических акселерометров ... 117 5.2. Конструктивные схемы электромеханических преобразователей пьезоэлектрических акселерометров ... 127 5.3. Конструктивные и эксплуатационные особенности трехкомпонентных пьезоэлектрических акселерометров . 139 ГЛАВА 6. СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ... 149 ГЛАВА 7. КОНСТРУКЦИИ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ С СОСТАВНЫМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ .............................................................. 160 7.1. Акселерометры с рабочей деформацией растяжения–сжатия ........................................................... 160 7.2. Акселерометры с рабочей деформацией изгиба ............ 170 7.3. Акселерометры с рабочей деформацией сдвига ............. 179 7.4. Акселерометры со встроенными дополнительными устройствами ..................................... 183 ГЛАВА 8. АКСЕЛЕРОМЕТРЫ С МОНОКЕРАМИЧЕСКИМИ И МОНОЛИТНЫМИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ... 191 8.1. Пьезоэлектрические монокерамические преобразователи ................................................................ 191 8.2. Пьезоэлектрические монолитные преобразователи ...... 197 8.2.1. Особенности построения пьезоэлектрических монолитных преобразователей ............................. 197 8.2.2. Конструкции монолитных блоков-преобразователей ....................................... 201 8.2.3. Особенности технологии изготовления монолитных блоков-преобразователей ................ 213
8.3. Акселерометры на основе монолитных и монокерамических блоков-преобразователей ............. 219 8.3.1. Конструктивные особенности блочных акселерометров ....................................................... 219 8.3.2. Бескорпусные блочные акселерометры ............... 220 8.3.3. Полукорпусные блочные акселерометры ............ 223 8.3.4. Корпусные акселерометры .................................... 225 ГЛАВА 9. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ..................................................................... 234 9.1. Измерение коэффициента преобразования ..................... 234 9.1.1. Вибростенды для измерения коэффициента преобразования ............................. 236 9.1.2. Измерение коэффициента преобразования абсолютным методом с применением лазерного интерферометра .................................... 241 9.1.3. Измерение коэффициента преобразования методом непосредственного сличения ................. 243 9.2. Измерение относительного коэффициента поперечного преобразования ........................................... 246 9.3. Измерение резонансных частот ....................................... 249 9.4. Определение коэффициентов влияния ............................ 251 9.4.1. Определение коэффициента влияния температуры ............................................................ 251 9.4.2. Определение коэффициента влияния деформации основания .......................................... 253 9.4.3. Определение коэффициента влияния магнитного поля ..................................................... 255 9.4.4. Определение коэффициента влияния акустического поля .................................................. 255 9.4.5. Определение коэффициента влияния перепада температур .............................................. 256 9.5. Испытания на ударную и вибрационную прочность ..... 257 ГЛАВА 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА И ИНФОРМАТИВНОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ .................. 260 Заключение ........................................................................................ 278 Литература ......................................................................................... 280
СОКРАЩЕНИЯ АСНИ – автоматическая система научных измерений АСУТП – автоматическая система управления технологическими процессами АЧХ – амплитудно-частотная характеристика АХ – амплитудная характеристика КВАП – коэффициент влияния акустического поля КВДО – коэффициент влияния деформации основания КВМП – коэффициент влияния магнитноaго поля КВПТ – коэффициент влияния перепада температур КВТ – коэффициент влияния температуры КЛТР – коэффициент линейного теплового расширения МБП – монолитный блок-преобразователь ОКПП – относительный коэффициент поперечного преобразования ОПК – обобщенный показатель качества ПКМ – пьезокерамический материал ПМ – пьезоэлектрический материал СЗУ – согласующий усилитель заряда СУ – согласующий усилитель СУН – согласующий усилитель напряжения ФЧХ – фазочастотная характеристика
ОБОЗНАЧЕНИЯ Общие величины В – магнитная индукция C – электрическая емкость Е – напряженность электрического поля Ею – модуль упругости F – сила Н – напряженность магнитного поля I – электрический ток Р – звуковое давление Q – электрический заряд R – электрическое сопротивление Т – температура U – электрическое напряжение Wэ – электрическая энергия h – высота l – длина s – площадь t – время ε* – деформация νп – коэффициент Пуассона ρ – плотность σ – механическое напряжение Параметры колебаний а – ускорение аа – амплитуда ускорения f – частота u – резкость v – виброскорость xа – амплитуда смещения τ – период колебаний
ϕ – начальная фаза колебаний ω – циклическая (круговая) частота Параметры пьезоматериалов Р0 – вектор остаточной поляризованности Qij – параметр приема ПМ Тк – температура фазового перехода (точки Кюри) сп – скорость звука в ПМ dij – пьезомодуль gij – пьезокоэффициент ε – относительная диэлектрическая проницаемость ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума T ij– диэлектрическая проницаемость ПКМ в свободном состоя нии на низкой частоте Параметры преобразователей и датчиков Свх – емкость входа измерительного устройства Ск – емкость кабеля С0 – емкость акселерометра со штатным кабелем Сп – емкость пьезоэлемента Спр – емкость преобразователя Ссв – емкость в цепи обратной связи СЗУ Еп – модуль упругости ПМ G – критерий качества Ка – КВАП Кз – коэффициент преобразования по заряду Кн – коэффициент преобразования по напряжению Км(Н) – КВМП Коп – ОКПП Кε – КВДО Ra – разрешающая способность акселерометра Rвх – сопротивление входа измерительного устройства V – объем возможностей
ап – предел измерения ускорения аmax – максимальное измеряемое значение en – спектральная плотность входного напряжения шумов операционного усилителя fв – верхняя частота рабочего диапазона fн – нижняя частота рабочего диапазона fp – частота резонансных колебаний закрепленного акселерометра k – коэффициент упругости kип – контактная жесткость соединения инерционного элемента с пьезоэлементом kкл – контактная жесткость клеевого соединения kоо – контактная жесткость соединения основания с объектом kп – коэффициент упругости пьезоэлемента kу – коэффициент передачи усилителя kуп – контактная жесткость упруго поджатого соединения kт – показатель точности kэп – эквивалентная жесткость пьезоэлемента kd – показатель динамического диапазона kf – показатель диапазона допустимых влияющих факторов km – показатель удельной чувствительности kn – коэффициент шумового усиления n – количество слоев пьезоэлемента mа – масса акселерометра mи – масса инерционного элемента mп – масса пьезоэлемента mэфф – эффективная масса β – коэффициент затухания η – порог чувствительности акселерометра ω0 – циклическая частота свободных колебаний закрепленного акселерометра ωр – циклическая частота резонансных колебаний закрепленного акселерометра
От автора Работы по созданию пьезоэлектрических виброизмерительных преобразователей, или акселерометров, для измерения параметров вибрационного и ударного ускорений, как и иных пьезоэлектрических датчиков, начали активно развиваться с 60-х г. прошлого века. Это объясняется возросшей потребностью, вызванной такими техническими направлениями, как реактивная авиация, ракетно-космическая техника, энергетика, машиностроение, а также появлением пьезокерамических материалов с характеристиками, приемлемыми для практического использования в датчиках. К сожалению, публикации, касающиеся вопросов конструи рования и применения пьезоэлектрических акселерометров, или содержат сведения общего характера, или посвящены узкоспециализированным проблемам и размещены в разрозненных научно-технических изданиях. В связи с этим предпринята попытка обобщить в одной книге результаты разработок и исследований по данному направлению, проведенных в течение многолетнего периода в нашей стране и за рубежом. Приведены также наиболее интересные результаты, полученные в научном конструкторскотехнологическом бюро «Пьезоприбор» Южного федерального университета, часть из которых публикуется впервые. К настоящему времени, когда уже создано большое количе ство конструктивных вариантов акселерометров, акценты сместились в сторону развития специальных электронных аналоговых и цифровых устройств, встраиваемых непосредственно в датчики. Однако, несмотря на успехи микроэлектроники, именно метрологические и технические характеристики пьезоэлектрических преобразователей имеют первостепенное значение, что и представлено в настоящей монографии. Пользуясь предоставленной возможностью, автор выражает глубокую признательность и благодарность всем, кому он обязан приобретенными знаниями и поддержкой в работе: Крамарову Олегу Павловичу, Паничу Анатолию Евгеньевичу, Горишу Анатолию Васильевичу, Мокрову Евгению Алексеевичу, Иоришу Юрию Иосифовичу, Малкову Якову Вениаминовичу, Дунаевско
му Виктору Павловичу, Цеханскому Константину Ромуальдовичу, Костюкову Владимиру Николаевичу, а также коллегам по совместной работе: Богушу Михаилу Валерьевичу, Вусевкеру Юрию Анатольевичу, Доле Владимиру Константиновичу, Донскову Виктору Ивановичу, Иванову Александру Анатольевичу, Ковалеву Сергею Николаевичу, Козлову Валерию Васильевичу, Кустову Вадиму Николаевичу, Санину Евгению Ивановичу, Филиппову Евгению Викторовичу, Чеботаренко Олегу Борисовичу и многим другим. Автор искренне благодарит рецензентов настоящей моногра фии за ценные рекомендации и замечания, сделанные в процессе подготовки рукописи.
ВВЕДЕНИЕ Исследованию колебательных процессов уделяется большое внимание при разработке, испытании и эксплуатации разнообразных технических и технологических устройств, в том числе в энергетике, машиностроении, металлургии, авиационной и ракетно-космической технике, транспорте, судостроении, геологии, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности. С помощью виброметрии успешно решаются вопросы, свя занные как с общим развитием техники, так и с повышением ее надежности и безопасности эксплуатации. В последние годы все более широкое распространение получают измерительно-информационные системы виброконтроля, мониторинга, диагностики и автоматического управления сложными техническими системами и технологическими процессами, не только дающие большой технико-экономический эффект, но и способствующие предотвращению аварий и возможных экологических катастроф. Начальным звеном таких систем являются датчики параметров вибрационных и ударных колебаний, расположенные непосредственно на контролируемом объекте и осуществляющие преобразование измеряемой механической величины в электрический сигнал, поступающий на регистрирующие и обрабатывающие устройства. Датчики часто работают в сложных и неблагоприятных условиях – при высоких температурах, сильных переменных магнитных полях, интенсивных вибрационных и ударных перегрузках, высоких давлениях и проникающих излучениях. В этой связи к датчикам предъявляются особые требования, прежде всего к их надежности и стабильности метрологических характеристик. Из всех известных типов датчиков, благодаря своим преиму ществам, широкое применение в рассматриваемой области находят пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи, или акселерометры, которые относятся к датчикам генераторного типа и непосредственно преобразуют вибрационное или ударное ускорение в пропорциональный электрический сигнал. Метрологические и эксплуатационные характеристики ак селерометров, главным образом, зависят от свойств использу
Введение 13 емого пьезоматериала и конструктивных особенностей электромеханического преобразователя, а также исполнения датчика в целом. Пьезоэлектрические акселерометры, кроме электромеханиче ского преобразователя, могут содержать встроенные электронные устройства, например: предварительный усилитель, систему преобразования и первичной обработки сигнала и др. В настоящей работе такие датчики, как и иные специализированные электронные устройства, предназначенные для датчико-преобразующей аппаратуры, практически не рассматриваются, так как это вполне может представлять самостоятельную тематику. Монография состоит из десяти глав. Первая глава содержит сведения о свойствах и особенностях пьезоэлектрических материалов и пьезоэлементов, используемых в датчиковой аппаратуре. Во второй главе рассмотрены измеряемые параметры вибра ционных колебаний и физические основы работы пьезоэлектрических акселерометров. В третьей главе рассмотрены основные технические харак теристики акселерометров и их зависимость от свойств датчика и регистрирующей аппаратуры. Четвертая глава посвящена рассмотрению механизмов влия ния внешних факторов, воздействующих на акселерометры в реальных условиях эксплуатации. В пятой главе приведены классификация акселерометров по конструктивным и эксплуатационным признакам и их конструктивные схемы. Шестая глава полностью посвящена возможным способам крепления акселерометров на контролируемых объектах и оценке их эффективности. В седьмой главе рассмотрены примеры выполнения акселеро метров с электромеханическими преобразователями составной конструкции.
Доступ онлайн
65 ₽
В корзину