Разработка пьезоэлектрических датчиков динамического давления с улучшенными метрологическими характеристиками и расширенной областью применения

• Автор: Симчук, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРИБОРОВ И
ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
1.1 Современное состояние приборов для измерения переменного
давления
1.2 Пьезоэлектрические датчики давления
1.3 Выводы
2. ВЫБОР И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА,
ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАНЫ ПДДД
2.1 Выбор материала для изготовления мембраны ПДДД
2.2 Методика построения истинных диаграмм деформирования
2.3 Результаты определения истинных диаграмм деформирования сплава Збнхтю
2.4 Результаты определения зависимостей прочностных свойств сплава 36НХТЮ от скорости деформации
2.5 Выводы
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПДДД
3.1 Конечно- элементная модель конструкции ПДДД для расчета напряженно- деформированного состояния. Результаты расчетов
3.2 Конечно - элементная модель конструкции ПДДД для модального анализа. Результаты расчетов собственных частот конструкции
3.3 Выводы
4. РАЗРАБОТАННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПДДД С УЛУЧШЕННЫМИ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
4.1 Способ изготовления ПДДД и разработанные конструкции
4.2 Применение разработанных ПДДД в промышленности
4.3 Выводы
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Для проектирования механизмов и при исследовании физико - химических процессов и явлений необходимо знать и контролировать физические параметры. Одним из основных параметров при описании поведения жидких и газообразных сред является давление.
Первичным звеном, регистрирующим и передающим информацию о давлении среды, является датчик, представляющий собой конструктивно завершенный прибор. Сфера применения датчиков давления очень широка. Это -энергетика, автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая техника, судостроение, двигателестроение, атомная техника, химическое и энергетическое машиностроение, взрывные технологии, физические эксперименты. И для каждого условия применения датчик должен обладать совокупностью специальных технических, эксплуатационных и метрологических характеристик.
От качества измерительной информации, получаемой от вышеуказанных преобразователей, в значительной степени зависит эффективность решения важных диагностических задач. Это определяет актуальность исследований, направленных на совершенствование и создание новых пьезоэлектрических датчиков динамического давления с улучшенными характеристиками и более широкими эксплуатационными возможностями.
Сейчас наблюдается повышение спроса на датчики давления общепромышленного, а также специального применения. В ряде случаев разработанные датчики удовлетворяют требования потребителя по метрологическим характеристикам и надежности. Но зачастую новая, быстро развивающаяся техника предъявляет специфические требования к датчиковой аппаратуре, не обеспеченные существующими разработками.
Можно обозначить следующие особенности проектирования на современном этапе:
• Необходимость реализации требований к широкому динамическому диапазону от 100 Па до 1500 МПа, температурному диапазону до плюс 700°С, частотному диапазону от 5 до 150 000 Гц, ресурсу. Измерения в широком динамическом диапазоне можно перекрыть применением номенклатурного ряда датчиков, но следует принимать во внимание одновременность проведения измерений в одной зоне, ограничения по размещению датчиков. Поэтому актуально такие измерения проводить одним датчиком с широким динамическим диапазоном и высоким разрешением. Совокупность требований потребителя вызывает необходимость поиска и исследования нетрадиционных материалов: пьезоматериалов с высокой точкой Кюри с линейной зависимостью электрофизических параметров в

широком амплитудном диапазоне, конструкционных материалов с согласованными механическими и акустическими свойствами.
• Для обеспечения необходимой линейности характеристики датчика в широком динамическом диапазоне весьма существенным является особенность поведения мембранной части, принимающей давление. Проектирование этого элемента датчика требует помимо новых конструктивно - технологических решений использование новых расчетно - моделирующих подходов.
• Для удовлетворения совокупности требований заказчика по метрологическим, эксплуатационным характеристикам, ресурсу приходится принимать компромиссные решения и корректировать техническое задание, что приводит к проведению нескольких итераций, прежде чем организовать серийное производство.
• Отдельная задача - сертификация датчиков переменного давления, что вызывает необходимость проведения испытаний с целью утверждения типа средств измерений в аккредитованных центрах испытаний Ростехрегулирования. Такими центрами являются ВНИ-ИМ им. Д.И. Менделеева (г. Санкт-Петербург), УНИИМ (г. Екатеринбург), обладающие Государственными эталонами переменного давления. Однако существующие эталоны имеют верхний диапазон давления только до 20 МПа. Т.е. проектирование датчиков на высокие импульсные давления сопряжено с решением вопроса их калибровки.
В промышленности применяются датчики динамического давления на различных физических принципах: пьезо- и тензорезистивные, емкостные, индуктивные.
Тема диссертации связана с исследованием пьезоэлектрических датчиков динамического давления (ПДДД), которые незаменимы при эксплуатации в жестких условиях, в частности в атомной энергетике, взрывных, баллистических применениях.
Актуальность диссертации представляется в исследованиях, направленных на разработку конструкций и способов изготовления ПДДД с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

2.4 РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СПЛАВА 36НХТЮ ОТ СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ
Поскольку конструкция ПДДД испытывает динамическое воздействие, целесообразно определить влияние скорости нагружения на прочностные свойства материала мембраны.
Эта работа была проведена в лаборатории разрушающих и других видов испытаний МГУПИ (НУЦ «Каскад») [47]. На установке УТС 101 определялись зависимости прочностных свойств сплава 36 НХТЮ от скорости деформации в диапазоне 2-350 мм/мин, что соответствовало начальной скорости относительной деформации (1,1-10"3 - 1,9-10'1) с"1. Результаты испытаний представлены в таблице 6.
Таблица
Номер образца Скорость испытания, мм/мин Скорость относительной деформации, с'1 Ттах, Н о В» МПа ° 0,2, МПа б тах % б разр %
1 2 1,1-10* 22677 1155 776 15,4 17
2 10 1,1-104 22475 1154 652 15Д 17
3 50 5,5 ТО"2 22453 1144 772 14,8 16
4 200 1,1-Ю"1 22676 1155 754 15,6 16
5 350 1,9-10"1 22666 1164 754 16,4 17
б шах - максимальная относительная деформация;
б разр - относительная деформация разрушения.
На рис. 25 представлены зависимости предела прочности о в и предела текучести О 0,2 от скорости деформации.