Типовые проекты Скачать проект
Форма обратной связи
8 (800) 444-22-51 Звонок по России бесплатный snabsbit@cesis.ru Отдел продаж
Форма обратной связи

Диагностика пьезоэлектрических чувствительных элементов датчиков охранных систем

П.Г. Михайлов, д.т.н., профессор И.О.Шаповал, инженер ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ» Закрытое акционерное общество «Центр специальных инженерных сооружений научно-исследовательского и конструкторского института радиоэлектронной техники» (ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ»), г. Пенза

Важнейшими ключевыми элементами систем охраны различных объектов являются датчики физических величин (ДФВ), воспринимающие информацию о состоянии периметра контролируемого объекта и формирующие информационные сигналы в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования и обработки. Сердцевиной любого ДФВ, определяющего его основные технические характеристики, является чувствительный элемент (ЧЭ), конструктивно выполненный в виде отдельного кристалла, пьезопластины, балки и проч. При изготовлении и эксплуатации ДФВ от качества ЧЭ зависят большинство технических характеристик датчика: надежность, чувствительность, информативность и проч. Кроме того, именно ЧЭ в основном определяет такие важнейшие характеристики датчиков ОС, как частотный диапазон, АЧХ, чувствительность к полезному сигналу и шумам, амплитуду и спектр шумов, порог измерений. Поэтому важнейшей задачей при изготовлении и дальнейшей эксплуатации ДФВ является диагностика работоспособности и корректного функционирования ЧЭ. К сожалению, известные методики и средства диагностики не позволяют провести оценку работоспособности и измерения основных характеристик ЧЭ в реальном масштабе времени. Кроме того, существующие методы испытаний, а также используемые при этом приборы контроля и диагностики отличаются значительными трудозатратами и малой наглядностью представления конечных результатов. Разработку информативных методов и средств диагностики ЧЭ ДФВ тормозят существующие противоречия между законодательной метрологией и практической метрологией в части назначения и функций ЧЭ (ГОСТ Р 51086–97 «Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения»). Основное противоречие заключается в том, что в данном ГОСТе, указано, что «…компонент датчика (к числу которых относится ЧЭ) не обладает метрологическими характеристиками, в отличие от самого датчика, в который они входят…». На практике же при изготовлении датчиков используются покупные чувствительные элементы и измерительные модули (являющимися, по сути, комплектующими изделиями), изготовленные на специализированных высокотехнологичных предприятиях. При этом они должны иметь гарантированные технические, в том числе и метрологические характеристики. Неразрушающую диагностику ЧЭ целесообразно проводить, используя физические эффекты, присущие функциональным материалам ЧЭ (пьезочувствительность, тензочувствительность, термочувствительность, фоточувствительность, магниточувствительность, пироэффект и проч.). Применительно к пьезоэлектрическим ЧЭ (ПЧЭ), основными физическими эффектами, которые могут быть использованы при неразрушающей диагностике являются прямой и обратный пьезоэффекты [1]. Подавая на электроды ПЧЭ синусоидальное напряжение или ударный импульс и принимая отклик, можно судить о целостности и работоспособности ПЧЭ. Для повышения достоверности контроля предложено в одиночном пьезоэлементе использовать дополнительный электрод, служащий для подачи зондирующих синусоидального напряжения или ударных импульсов (рис. 1) [2, 3]. Данная система работает как пьезоэлектрический трансформатор [4]. При подаче на вход напряжения с частотой равной или кратной частоте механического резонанса в пьезоэлементе образуется стоячая волна с максимальной амплитудой колебаний. На резонансной частоте коэффициент трансформации (1) достигает максимума и не зависит от геометрических размеров пьезоэлемента. Κтр=Uвых/Uвх = 4Qm·g33·d33·E/π^2 (1) где Qm-добротность ПЭ; g33 и d33 — соответственно чувствительность по напряжению и пьезомодуль пьезокерамики; Е-модуль Юнга материала пьезоэлемента.

Рисунок 1. Пьезоэлектрический ЧЭ с каналом диагностики

Выходное напряжение с ПЭ, получаемое после подачи тестового вибросигнала:

d33*F     d33*p*S*h

U= _____  = _______

Cnэ             Cnэ

где ρ- плотность материала ПЭ; h, S –соответственно толщина и площадь ПЭ; CПЭ–емкость ПЭ. Анализируя входные тестовые сигналы (электрические и вибрационные) и их отклики, можно судить о работоспособности как отдельных ПЭ и ИМ, так и всего датчика в целом. Исходные данные, которые могут быть использованы при количественной оценке моделей: -пьезомодуль d33=100 пКл/Н; -емкость пьезоэлемента CПЭ =1000 пФ; -ПЭ подключен к электронному усилителю, собственный шум которого находится приблизительно на уровне 10-2 мВ. В этих условиях порог чувствительности по силе составит 10-4 Н, что в пересчете на деформацию при поперечном сечении ПЭ, равную 10мм2, составит 10-10 единиц относительной деформации. Таковы принципиальные возможности пьезоэлектрических преобразователей по диагностике динамических механических напряжений и деформаций. Количественные характеристики отклика на диагностическое воздействие в реальных условиях можно получить из модели (2), подставив в нее геометрические и силовые параметры. Так, для ПЭ выполненного в виде диска диаметром 10 мм и толщиной 1мм из керамики ЦТС-19, для которой Eотн = 1500, d33 = 2*10^-10 Кл/н получаем:

0,088e   πd^2

Cnэ = ____ *____ ≈ 900nФ = 9*10^-10Ф

4                4

 

 d33F

U= ____ ≈ 2B

Cnэ

Литература 1. Михайлов П.Г., Михайлов А.П. Контроль и диагностика чувствительных элементов датчиков // Контроль Диагностика–2003, № 10. 2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / М.: Техносфера, 2006. 3. Михайлов П.Г., Михайлов А.П. Методы и средства функциональной диагностики сенсорных элементов и структур микроэлектронных датчиков // Датчики и системы 2005, № 10. 4. Карташов И.А. Пьезоэлектрические трансформаторы / И.А. Карташов, И.Б. Марченко. Киев, 1978.