Датчики на основе пьезоэлектрической резины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курганский институт железнодорожного транспорта филиал Уральского государственного университета путей сообщения г. Курган

Датчики на основе пьезоэлектрической резины

Воинков С.А.

В статье рассказано о пьезоэлектриках, пьезоэффекте, датчиках на основе пьезоэффекта и пьезоэлектрической резине. Статья также раскрывает основу работы пьезодатчиков и датчиков на основе пьезоэлектрической резины. история открытия пьезоэффекта и его применение в пьезодатчиках.

The article explains about the piezoelectric materials, the piezoelectric effect, the transducers based on piezoelectric effect and piezoelectric rubber. The article also reveals the basis of the work of piezoelectric sensor and transducers based on piezoelectric rubber. The story of the discovery of the piezoelectric effect and its application to piezoelectric sensor.

Датчики на основе пъезоэлектрической резины для подвижного состава.

Датчик - это средство измерения, предназначенное для вырабатывания сигнала измеренной информации, для дальнейшей передачи и(или) записи.

Пьезоэлектрический датчик - это измерительный преобразователь механической силы в электрический сигнал, его действие основано на пьезоэффекте.

Пьезодатчики выполняются из пьезоэлектрических материалов, которые представляют собой кристаллические вещества, в которых при механическом сжатии или растяжении в определённых направлениях происходит электрическая поляризация даже при отсутствии внешнего электрического поля.

Пьезоэффект был обнаружен в 1880 г. Жаком и Пьером Кюри на кристалле кварца. Если на грани пластинки кварца наложить металлические обкладки и произвести деформацию (т.е. приложить некую силу) пластинки, то при разомкнутых обкладках между ними возникнет разность потенциалов. В случае замкнутых обкладок на них при деформации появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризационным зарядам, возникающим на поверхности пластинки, и в цепи. Соединяющей обкладки, течет ток. При подключении к обкладкам внешней ЭДС кристалл деформируется.

Необходимое условие пьезоэффекта -- отсутствие центра инверсии ионного кристалла. В этом случае при деформационных смещениях составляющих кристалл заряженных частиц возникает электрический момент (поляризация). Пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением (т.е. диэлектрики), поскольку в проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Из общего числа 32 кристаллографических классов, или точечных групп, к которым принадлежат все кристаллы, 20 классов (из 21), не имеющих центра симметрии, допускают существование пьезоэлектрического эффекта. Однако лишь малая часть кристаллов этих групп обладает достаточно большим пьезоэффектом: кварц, сегнетова соль, титанат бария -- стронция и другие. Так же к пьезоэлектрикам относится сегнетоэлектрическая керамика. Пленки полимеров (например поливинилиденфторид) вытягивают на 100-400%, затем поляризуют в электрическом поле, а после - наносят электроды путем металлизации. Так получают пленочные пьезоэлементы с коэффициентом электромеханической связи порядка 0,16.

Рис.1 Кристалл кварца.

Рис.2 Сегнетова соль.

Рис.3 Полимерный пьезоэлектрический элемент.

Вот некоторые виды пьезоэлектрических датчиков:

Пьезоэлектрический датчик давления

Один из вариантов конструкции пьезоэлектрического датчика давления показан на рис. 4. Под действием измеряемого давления на внешней и внутренней сторонах пары пластин пьезоэлектрика возникают электрические заряды, причём суммарная эдс (между выводом и корпусом) изменяется пропорционально давлению. Этот пьезоэлектрический датчик целесообразно применять при измерении быстроменяющегося давления; если давление меняется медленно, то возрастает погрешность преобразования из-за «стекания» электрического заряда с пластин на корпус.

Рис.4 Схема устройства пьезоэлектрического датчика давления: p -- измеряемое давление; 1 -- пьезопластины; 2 -- гайка из диэлектрика; 3 -- электрический вывод; 4 -- корпус (служащий вторым выводом); 5 -- изолятор; 6 -- металлический электрод.

Пьезоэлектрические датчики вибрации

Пьезодатчики вибрации или векторные виброакселерометры применяются для определения режимов вибрации различных машин и механизмов. Область применения датчиков вибрации пьезоэлектрических: авиация, автотранспорт, морской и железнодорожный транспорт.

Рис.5 Пьезоэлектрические датчики вибрации

Волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления

Волоконно-оптический пьезоэлектрический датчик импульсного давления содержит чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента с входным и выходным электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси пьезоэлемента, и измерительную линию.При этом входной и выходной электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, а измерительная линия выполнена в виде оптического канала для измерения параметров движения поверхности пьезоэлемента с выходным электродом. Одним из вариантов выполнения чувствительного элемента датчика является полностью экранированный пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза с нанесенным на всю его поверхность проводящим покрытием. Ультразвуковые колебания зондируемой лазерным лучом свободной поверхности такого полностью экранированного пьезоэлемента возникают за счет внутренних электрических полей, индуцированных ударной волной с момента ее прихода на нагружаемую поверхность пьезоэлемента. Прототипом является известный пьезоэлектрический датчик импульсного давления с электрическим выходом, предназначенный для регистрации профиля давления (напряжения) плоской ударной волны при одномерном нагружении.

Рис.6 Волоконно-оптический пьезоэлектрический (кварцевый) датчик импульсного давления.

Компания Ricoh создала новый уникальный материал, который можно применять в самых различных отраслях

Так называемая "пьезоэлектрическая резина" (power-producing rubber), способна генерировать электрический ток при вибрации и деформациях.

В отличие от традиционных пьезоэлектрических материалов, новый материал обладает высокой степенью гибкости, но при этом генерирует электричество ничуть не хуже. По данным Ricoh, новинка не уступает своим керамическим аналогам и при этом проще в производстве, что открывает широкие перспективы, ведь такой плёнкой можно покрыть практически любую поверхность, тем самым превратив её в генератор. Для улучшения характеристик "пьезо-резины" и совершенствования методов производства, компания объединила свои усилия с Токийским Научным Университетом (Tokyo University of Science).

Рис.7 Пьезоэлектрическая резина.

Так же специалисты Научно-исследовательского института железнодорожной техники Японии (RTRI) изучают возможности применения гибкой пьезоэлектрической резины в устройствах, служащих для обнаружения зажатия предметов между краями закрывающихся дверей подвижного состава, и для выявления дефектов буксовых подшипников.

Материалы на основе пьезокерамики обладают высокой эффективностью преобразования энергии. Однако они очень хрупкие и поэтому не могут использоваться на подвижном составе, где есть нагрузки и значительные деформации. Кроме того, из них трудно изготавливать изделия больших размеров и сложной формы. Возможное решение проблемы -- использование пьезоэлектрической резины.

Пьезоэлектрическую резину получают путем перемешивания каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (ЕРDМ) и пьезокерамического материала на основе цирконат-титаната свинца (РZT).

Для оценки свойств пьезоэлектрической резины используют такой показатель, как пьезоэлектрический коэффициент d₃₃ характеризующий величину генерируемого электрического заряда на единицу приложенной силы. Значение d₃₃ измеренное при помощи вибрационной установки, для пьезоэлектрической резины составило примерно 1-5 пКл/Н, в то время как у обычного материала РZT оно достигает 80-600 пКл/Н. При столь низком показателе пьезоэлектрическая резина может быть использована в датчиках при наличии усилителя электрического заряда. С другой стороны, значение d₃₃ должно быть увеличено, если усилитель отсутствует либо электрический сигнал должен быть определен непосредственно.

Чтобы значение d₃₃ для пьезоэлектрической резины было больше, частицы PZT должны располагаться упорядоченно и непрерывно контактировать между собой от верхней до нижней поверхности материала. Пьезоэлектрическая резина, имеющая такую структуру, получила обозначение PRAP (Piezoelectric Rubber with Aligned PZT Particles).

Чтобы частицы PZT в РRАР были ориентированы определенным образом, необходимо приложить электрическое поле напряженностью 2кВ/мм в требуемом направлении. Полученный таким образом материал получается достаточно гибким.

Также свойства пьезоэлектрической резины зависят от размера частиц и приложенного во время изготовления напряжённости электрического поля.

Датчики обнаружения зажатия предметов в дверях

При посадке и высадке на станциях существует определенная опасность зажатия одежды пассажиров, ручной клади и других предметов краями дверей подвижного состава. В таком случае поезд, как правило, не сможет отправиться, пока зажатие не устранено. Однако из-за деформации резинового уплотнения дверей система, контролирующая их работу, может не обнаружить объекты шириной менее 15 мм.

В связи с этим были исследованы возможности обнаружения зажатия небольших объектов с использованием датчиков на основе пьезоэлектрической резины. Поскольку предположить, где именно будет иметь место зажатие, довольно затруднительно, с учетом размеров дверного проема в качестве датчика было решено использовать полосу из пьезоэлектрической резины длиной 1500, шириной 5 и толщиной 1 мм.

В отличие от пьезокерамики пьезоэлектрическая резина более гибкая. Однако придать требуемую форму РRАР достаточно сложно. Поэтому датчик зажатия изготовили из обычной пьезоэлектрической резины, содержащей частицы РZТ, смешанные с ЕРDМ с объемной концентрацией 50%. Значение d₃₃ для используемой пьезоэлектрической резины составило примерно 2,5 пКл/Н.

На испытательном стенде были выполнены измерения электрического заряда, генерируемого датчиком при обнаружении зажатия.

Во время проведения испытаний на стенде установили модель двери, снабженной датчиком зажатия длиной 150 мм и применяемым обычно резиновым уплотнением края двери, также имевшим длину 150 мм. При настройке стенда разрыв между краями датчика и уплотнения был задан равным 20 мм, затем, имитируя закрытие дверей, верхнюю часть модели сдвинули, и зазор стал нулевым. Для имитации реального зажатия между краями уплотнения и датчика помещали металлические стержни. Пиковое значение электрического заряда достигалось почти одновременно с максимальным значением приложенной силы. Максимальное значение силы составило примерно 35 Н, электрического заряда --150 пКл.

Коэффициент преобразования электрического заряда в напряжение сигнала был равен 0,01В/пКл, пороговое значение напряжения для срабатывания устройства управления -- 8 В.

При отсутствии зажатых предметов двери повторно не открывались, поскольку уровень сигнала не достигал порогового значения. При зажатии металлического стержня диаметром 10 мм двери открылись, так как уровень сигнала составил 10 В, что выше установленного порогового значения.

Система управления работой дверей, которой в настоящее время оборудован подвижной состав, не может обнаруживать объекты шириной менее 10 мм. Испытания подтвердили, что при помощи датчиков на основе пьезоэлектрической резины можно выявить зажатие металлического стержня диаметром 10 мм, при этом использование датчиков не влияет на работу установленного ранее оборудования. Однако обнаружить зажатие стержня диаметром менее 5 мм, а также выявить предметы, находящиеся в нижней части дверного проема, по-прежнему затруднительно.

Датчики дефектов буксовых подшипников

Буксовые подшипники подвижного состава являются достаточно ответственными компонентами, поскольку неисправности в них могут привести к серьезным последствиям. В связи с этим была разработана методика обнаружения дефектов буксовых подшипников при помощи датчиков на основе пьезоэлектрической резины.

Чтобы защитить подшипники, буксовые узлы оснащают резиновыми вибропоглощаюшими элементами. Одна из предложенных методик выявления дефектов основана на включении в состав этих элементов датчиков на основе пьезоэлектрической резины. Датчик обнаруживает отклонения от нормального уровня вибрации, вызываемые дефектами буксовых подшипников. Усилие, приложенное к датчику, составляет 1/10 значения силы, воздействующей на подшипник. В датчике используется РRAР с размерами частиц РZТ 0,7мм и объемной концентрацией 30%. Значение dзз для такого датчика составило приблизительно 20 пКл/Н. Выбор характеристик материала был основан на предположении, что с увеличением значения d₃₃ повышается эффективность обнаружения дефектов.

Для оценки эффективности датчика были проведены исследования на стенде RTRI, предназначенном для испытаний подшипников на усталость. В ходе экспериментов сравнивали параметры исправного и дефектного подшипников путем измерения электрических сигналов, генерируемых датчиком.

В испытаниях были задействованы двухрядные буксовые подшипники с коническими роликами. На наружном кольце одного из подшипников был искусственно создан дефект шириной примерно 35 мм.

Результаты испытаний показали, что дефектный буксовый подшипник в отличие от исправного генерировал электрическое напряжение определенной частоты. Значение частоты вибрации, вызванной возникновением дефекта на наружном кольце буксового подшипника, зависит от числа роликов подшипника, частоты вращения оси, размера роликов и угла контакта.

Результаты испытаний подтвердили, что дефекты буксового подшипника можно выявить на основании анализа частоты, при которой датчик генерирует напряжение. Кроме того, дефекты могут быть обнаружены путем сравнения электрического напряжения, генерируемого двумя датчиками на основе пьезоэлектрической резины. Датчик позволяет измерять напряжение непосредственно, не требуя применения усилителя сигнала.

пьезоэлектрический резина транспорт

Список использованной литературы

1. Пьезоэлектрические датчики [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://studfiles.net/preview/2703556/page:32/, свободный.

2. Пьезоэффект [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пьезоэлектрический_эффект, свободный.

3. Пьезоэлектрическая резина [Электронный ресурс]: Режим доступа http://www.bagnet.org/news/tech/256058, свободный.

4. Пьезоэлектрическая резина [Электронный ресурс]: Режим доступа http://www.zdmira.com/arhiv/2017/zdm-2017-no-07#TOC--6,свободный.

Размещено на Allbest.ru