Волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления

Волоконно-оптический пьезоэлектрический датчик импульсного давления (см. Толстиков И.Г., Мартыш-кин В.П., Долгов В.И. Заявка на изобретение «Емкостный датчик», № 2005110481 от 11.04.2005) содержит чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента с входным и выходным электродами на двух противо-положных поверхностях, перпендикулярных полярной оси пьезоэлемента, и измерительную линию (см. рис. 7—9). При этом входной и выходной электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, а измери-тельная линия выполнена в виде оптического канала для измерения параметров движения поверхности пьезо-элемента с выходным электродом. Одним из вариантов выполнения чувствительного элемента датчика являет-ся полностью экранированный пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза с нанесенным на всю его поверх-ность проводящим покрытием. Ультразвуковые колебания зондируемой лазерным лучом свободной поверхно-сти такого полностью экранированного пьезоэлемента возникают за счет внутренних электрических полей, индуцированных ударной волной с момента ее прихода на нагружаемую поверхность пьезоэлемента. Прототи-пом является известный пьезоэлектрический датчик импульсного давления [19, 20] с электрическим выходом, предназначенный для регистрации профиля давления (напряжения) плоской ударной волны при одномерном нагружении.

Пьезоэлектрический датчик импульсного давления содержит корпус, чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента (диска) из кварца х-среза с входным и выходным электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси х пьезоэлемента и направлению распро-странения импульса давления. Входной и выходной

Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.

Электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, например, путем нанесения на все поверхности чувствительного элемента, свободные от плоских электродов, дополнительного сплошного электрода с образованием полностью экранированной конструкции. В случае, если пьезоматериал в отличие от кварца обладает не только продольным, но также и поперечным пьезоэффектом, когда при деформации вдоль рассматриваемой полярной оси поляризационные заряды возникают также и на боковой поверхности пьезоэлемента, последняя изолируется слоем диэлектрика. Слой диэлектрика может наносится также с це-лью уменьшения влияния боковой разгрузки. Измерительная линия выполнена в виде оптического канала, содержащего (отражающую) поверхность выходного электрода и волоконный световод, торец которого направлен к центру пьезоэлемента. Волоконный световод обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору (интерферометру).

Принцип действия пьезоэлектрического датчика импульсного давления (кварцевого датчика) заключается в том, что в процессе преобразования информативного сигнала чувствительный элемент датчика используется не только в качестве (механоэлектрического) преобразователя механической энергии нагружающего импульса в электрическую за счет прямого пьезоэффекта как в прототипе, но и одновременно в качестве (электромеха-нического) преобразователя электрической энергии в механическую за счет обратного пьезоэффекта. При этом прямое преобразование происходит в сжатой, а обратное - в несжатой зонах пьезоэлемента, разделенных дви-жущимся волновым фронтом. Поэтому геометрические размеры этих зон (преобразователей) изменяются со временем: ширина сжатой зоны увеличивается и равна U⋅t, а ширина несжатой зоны соответственно уменьша-ется и равна L—U⋅t в любой момент времени 0 ≤ t ≤ T. Преобразование информативного сигнала в рассматри-ваемом датчике происходит в интервале времени 0 ≤ t ≤ T по следующему новому пути: исследуемый профиль импульса давления р(t) в образце — профиль упругой волны σ(t) в пьезоэлементе – временная зависимость электрического поля в несжатой зоне Е1(t) — профиль вторичной упругой волны σr(t), возникающей за счет обратного пьезоэффекта в несжатой зоне и движущейся в обратном направлении от выходного электрода к входному — временная зависимость скорости (смещения) выходной поверхности пьезоэлемента w(t) — реги-стрируемый с помощью лазерных интерферометрических методов оптический сигнал.

Основные соотношения для связи между регистрируемым сигналом w(t) и давлением р(t) в образце записываются здесь следующим образ

р(t) = σ(t)⋅Zо;

Р(t) = к⋅σ(t), для прямого пьезоэффекта;

Е1(t) = к⋅σ(t)⋅t / ε⋅ε0⋅T;

σе (t) = е⋅Е1(t), для обратного пьезоэффекта в несжатой зоне;

w(t) = σе (t) / ρ ⋅U;

р(t) = К0⋅w(t) / t;

где ε0 — электрическая постоянная; σе (t) — механическое напряжение, индуцированное полем Е1(t) в несжа-той зоне; e — пьезоконстанта пьезоматериала, e11 для кварца х-среза; ρ - плотность пьезоматериала; К0 = ε⋅ε0⋅ρ ⋅L⋅Zо / e⋅ к — константа в конкретном опыте.

Как видно из последнего соотношения искомый профиль импульса давления р(t) можно легко получить из экспериментальной зависимости w(t) расчетным путем.

Пьезоэлектрический датчик импульсного давления функционирует следующим образом. Датчик устанав-ливается на поверхность исследуемого образца. Плоская ударная волна (импульс давления) р(t) из образца переходит через контактную поверхность в датчик и вызывает появление в пьезоэлементе 3 упругой ударной волны σ(t), движущейся со скоростью U и вызывающей, в свою очередь, диэлектрическую поляризацию Р(σ) пьезоматериала в сжатой зоне пьзоэлемента

случая, когда направление движения волны σ(t) совпадает с направлением вектора Р(σ) и, следовательно, полярной оси х кварца. Индуцированный поляризацией заряд стекает с электродов 4 и 5 через дополнительный электрод (нагрузку) 7, сопротивление R которого близко к нулю. Поэтому пьезопреобразователь работает в режиме источника тока и становятся справедливыми приведенные выше соотношения и теория пьезоэлектри-ческого (кварцевого) датчика [1, 19, 20]. В соответствии с последней, несмотря на то, что напряжение между электродами 4 и 5 равно нулю, внутри пьезоэлемента возникают сильные электрические поля как в сжатой 13 (поле Е2), так и несжатой 14 (поле Е1) зонах, разделенных фронтом ударной волны σ(t), направление которых показаны соответствующими стрелками на рис. 8. В несжатой зоне 14 поле Е1 монотонно (линейно при σ = const) увеличивается со временем от нулевого значения до максимального Еmax= к⋅σ(t) /ε⋅ε0 в интервале 0 ≤ t ≤ T. В сжатой зоне 13 поле Е2 наоборот уменьшается аналогичным образом. При появлении электрическо-го поля в несжатой зоне 14 мгновенно возникают механические напряжения σе (t), обусловленные обратным пьезоэффектом, релаксация которых происходит путем образования на свободной поверхности пьезоэлемента вторичной упругой волны 15 σr(t), движущейся со скоростью U в направлении от выходного электрода 5 к входному 4, противоположном направлению распространения основной волны σ(t). Отметим, что, поскольку поле Е2 стремиться противодействовать сжатию волны σ(t), а поле Е1 направлено в противоположном Е2 направлении, то напряжение σе (t) является сжимающим в рассматриваемом случае, а волна σr(t) есть волна разгрузки. Волна σr(t) образуется в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности пьезоэлемента с выходным электродом непрерывно в интервале времени 0 < t < T, поскольку механическое напряжение в непосредствен-ной близости к этой поверхности, равное σе(t), монотонно растет вместе с полем Е1. При этом названная по-верхность движется со скоростью w(t) = σе(t) / ρ⋅U, определяемой из закона сохранения количества движения [1, 20], в направлении, противоположном направлению распространения волныσr(t). Прецизионное измерение скорости свободной поверхности w(t) непосредственно или ее смещения с последующим диффе-ренцированием и определением w(t) расчетным путем производится с помощью оптического канала, содержащего (отражающую) поверхность выходного электрода и волоконный световой, торец которого направлен к центру пьезоэлемента. Волоконный световой обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору, например, лазерному интерферометру для измерений ультразвуковых колебаний [13, 16]. Исследуемый импульс давления в образце р(t) = К0⋅w(t) / t определяется по экспериментальной зависимости w(t), расчетным путем.

С момента t = T прихода на свободную поверхность с выходным электродом основной упругой волны σ(t) в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности образуется волна разгрузки, движу-щаяся от выходного электрода 5 к входному 4, а свободная поверхность движется в противоположную сторону со скоростью W, значительно превышающей скорость w. Поэтому в момент времени t = Т происходит резкий скачок скорости свободной поверхности, который точно регистрируется. Измерение скорости W с помощью оптического канала позволяет получить дополнительную информацию об исследуемом импульсе, в частности, определить его амплитуду р0 =ρ ⋅U⋅Wmax⋅ Zо и длительность переднего фронта.

Приведем расчетный пример. При нагружении кварца х-среза плоской ударной волной амплитудой σ = 1 ГПа поляризация в сжатой зоне составит Р = к⋅σ = 2,01 мКл/м2, максимальная напряженность электриче-ского поля — Еmax = Р/ε⋅ε0 = 50,4 кВ/мм, амплитуда σr вторичной волны σr =σе(T) = e11⋅Е1(T) = 9,1 МПа, мак-симальная скорость wmax свободной поверхности — wmax = σе(T) / ρ ⋅U = 0,6 м/c. При этом деформация пьезо-элемента толщиной L = 1мм в момент времени t = T составит приблизительно величину 50 нм, значительно превышающую чувствительность современных интерферометров, оцениваемую значением не менее 10-4 нм. Скорость Wmax свободной поверхности составит Wmax = σ / ρ ⋅U = 66 м/c. Для расчета приняты значения: к=2,01пКл/Н, ε0 = 8,854⋅10-12Ф/м, ε = 4,5, e11 = 0,18 Кл/м2, ρ =2,65 ⋅103 кг/м3, U = 5,72 км/c.

Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4 (ПЭП 3-1, ПЭП 3, и т.п.) предназначены для создания в жидкостях ультразвуковых колебаний, их приема с последующим преобразованием в электрический сигнал в составе ультразвуковых счетчиков жидкостей и тепла.

Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП 3-4(ПЭП 3-1, ПЭП 3, и т.п.) используются для комплектации счетчиков воды, жидкостей, тепла, а также для ремонта узлов учета энергоносителей на базе ультразвуковых расходомеров US-800, UFM-001, UFM-003, UFM-005, УЗР (или аналогичных ультразвуковых расходомеров время-импульсного принципа действия), а также в новых разработках ультразвуковых расходомеров воды, нефтепродуктов или других жидких сред.

Отличительные особенности и преимущества:

• Универсальность применения!

Пьезоэлектрические датчики ПЭП успешно эксплуатируются в системах, контролирующих расход холодной и горячей вода, загрязненной и теплофикационной воды, нефтепродуктов, химических веществ, пищевых продуктов и т.п. в трубопроводах диаметрами до 1800 мм.

• Диапазон рабочих температур от -40 до +150 С!
• Давление жидкости до 6,3 МПа!

Высокая чувствительность! Капсулирование пьезоэлемента в композиционный материал позволяет при эксплуатации УЗ датчика ПЭП сохранить постоянную амплитудно-частотную характеристику, поскольку не требует постоянного поджима элементов преобразователя. Чувствительность и длительность с крутым формируемым импульсом сохраняются при вибрационных нагрузках, индустриальных шумах, грохоте, свисте и т.д. Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП отличаются повышенной надежностью и простотой конструкции. Обеспечивают высокую степень акустического согласования с объектом контроля, имеют акустический (электрический) сигнал высокой крутизны и

• малой длительности, не искаженный акустическими помехами.

Удобное соединение и подключение! Используются высокопрофессиональные промышленные разъемы HIRSСHMANN (Германия). Надежная фиксация вилочной и розеточной частей с помощью винта позволяет работать в условиях повышенной вибрации. Исключается операция пайки. Имеют в подключенном состоянии степень защиты IP67.