Разработка методологических основ создания первичных измерительных преобразователей механических величин при слабых возмущениях на основе прямого пьезоэффекта

• Автор: Яровиков, Валерий Иванович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 364 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, СИМВОЛОВ И ПРИНЯТЫХ ТЕРМИНОВ С ИХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕМ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СУЩНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ И АНАЛИЗ ЕЁ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ
1.1. Исходные предпосылки и постановка проблемы
1.2. Современное состояние и анализ тенденций приборостроения пьезоэлектрических преобразователей механических величин
Выводы к главе
ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
2.1. Классификация пьезоэлекз ричсских преобразователей механических величин
2.2. Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя
2.3. Конструктивные и динамические схемы датчиков
2.3.1. Датчики, использующие деформации сжатия - растяжения пьезоэлемента
2.3.2. Датчики, использующие деформации изгиба или сложнонапряженное состояние пьезоэлемента
2.3.3. Датчики, использующие деформации сдвига пьезоэлемента
2.3.4. Датчики резонансного и полурезонансного типа
2.3.5. Динамические схемы преобразователей
2.4. Основные уравнения состояния пьезоэлектрических преобразователей датчиков механических величин
2.4.1. Основные уравнения состояния и постановка задач расчета пьезоэлектрических преобразователей
2.4.2. Уравнения колебаний пьезокерамических тел в цилиндрических координатах
2.4.3. Граничные условия электроупругости при объёмном напряженном

состоянии
2.5. Проектирование и расчет пьезодатчиков на основе математической модели
преобразователей с распределенными параметрами
2.5.1. Определение характеристик пьезодатчиков на основе расчета электроупругости пьезоэлемента при объемном напряженном состоянии чувствительного элемента
2.5.2. Расчет преобразователей с колебаниями изгиба
2.5.3. Особенности расчета преобразователей в виде многослойных пластин.
2.5.4. Расчет преобразователей с деформациями сдвига пьезоэлсмента
2.6. Проектирование и расчет пьезодатчиков на основе математических моделей преобразователей с сосредоточенными параметрами
2.6.1. Вынужденные колебания преобразователей с одной степенью свободы..
2.6.2. Вынужденные колебания преобразователя с несколькими степенями
свободы
2.7. Расчет преобразователей с учетом нагрузки входных цепей электронного блока системы управления двигателя
2.8. Собственные шумы датчиков
Выводы к главе 2
ГЛАВА 3. КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
РАЗРАБОТАННЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
3.1. Виброакустичсские и акустико-эмиссионные преобразователи
3.1.1. Выбор конструктивных схем
3.1.2. Метрологическое обеспечение разработки и производства виброакустических и акустико-эмиссионных преобразователей
3.1.3. Экспериментальные исследования виброакустических и акустикоэмиссионных преобразователей в лабораторных условиях
3.1.4. Результаты испытаний виброакустических и акустико-эмиссионных преобразователей в натурных условиях;
3.2. Датчики детонации
3.2.1. Анализ конструктивных схем
3.2.2. Конструктивные особенности датчиков детонации
3.2.3. Основные параметры и характеристики
3.2.4. Влияние физических факторов, сопровождающих эксплуатацию ДВС

3.2.5. Датчик детонации как элемент системы управления двигателем
3.2.6. Методы контроля и аттестации датчиков детонации
3.2.7. Требования к месту установки вибродатчиков и их креплению
3.2.8. Критерии выбора датчиков детонации
3.3. Преобразователи с колебаниями изгиба
3.3.1 Преобразователи ускорения
3.3.2 Преобразователь давления
Выводы к главе 3
ГЛАВА 4 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И СЕРИЙНОГО
ПРОИЗВОДСТВА ПЬЕЗОДАТЧИКОВ
4.1 Выбор материала пьезоэлемента - первый этап технологической
подготовки производства пьезодатчика
4.1.1 Пьезокристаллы
4.1.2 Пьезокерамика
4.1.3 Пьезопленки и пьезокомпозиты
4.1.4 Особенности выбора пьезоэлектрических материалов для преобразователей механических величин
4.2 Технологические особенности изготовления пьезоэлементов
4.3 Технологические особенности изготовления упругих и корпусных
элементов пьезоэлектрических преобразователей
Выводы к главе 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 Пьезоэлектрические материалы
Приложение 2 Основные формулы и программы для расчета пьезоэлектрических
преобразователей механических величин
Приложение 3 Частотные характеристики дисковых пьезоэлементов при
воздействии акустического поля продольных волн
Приложение 4 Частотные характеристики дисковых пьезоэлементов при
воздействии акустического поля волн Рэлея

методы неразрушающего контроля, в лучшем случае, могут дать информацию о местонахождении дефекта, его размерах и форме, но не могут определить степень опасности дефекта и его развитие до разрушения.
В тоже время, несмотря на отмеченные достоинства, на действующих атомных электростанциях (как иа отечественных, так и на зарубежных АЭС) практически не внедрены системы виброакустического или акустико-эмиссионного контроля. Экспериментальные (факультативные) системы контроля герметичности разработки НИКИЭТ устанавливались на Ленинградской и Игналинской АЭС /425/. Разработки систем течеискания ФЭИ были опробованы на Калининской и Нововоронежской АЭС. В первую очередь, факт относительно медленного внедрения виброакустического и акустикоэмиссионного методов объясняется отсутствием промышленно - освоенных первичных преобразователей для оборудования АЭС, эффективно выделяющих полезный сигнал на фоне механического шума1.
Вследствие многообразия условий применения виброакустических и акустикоэмиссионных методов, а также - множества влияющих факторов, приводящих к значительным вариациям особенностей и параметров полезных сигналов, в рамках настоящей работы автором проводился анализ их общих особенностей на примерах систем контроля трубопроводов первых контуров реакторных установок, встречавшихся на практике в НИКИЭТ и ФЭИ. Учитывая изложенное, можно сформулировать общие характерные особенности применения на оборудовании АЭС акустических методов:
■ рассматриваемые акустические методы относятся к пассивному методу ультразвукового контроля, основанному на регистрации и анализе акустических волн, возникающих при истечении теплоносителя или при процессах локальной динамической перестройки материала статически нагруженного контролируемого объекта. Статическое давление теплоносителя в трубопроводах первого контура достигает нескольких МПа /23, 60, 425/;
■ весьма сложная конфигурация оборудования. Обилие сопряжений, соединений
1 Данное обстоятельство осложнено ещё и фактом, известным среди разработчиков систем диагностики оборудования АЭС, неудачного использования в начале 90-х годов на Билибинской АЭС автоматизированной системы шумовой и вибрационной диагностики (НИКИМТ, г. Обнинск), включающей первичные пьезоэлектрические приёмники объёмных волн.
Отмеченные "сдерживающие" факты требуют тщательного анализа условий применения данных методов на конкретном оборудовании и, в первую очередь, установление корреляций параметров акустических сигналов, вызванных течью теплоносителя или акустической эмиссией, с характеристиками контролируемого объекта.