ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КРЕПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УСКОРЕНИЯ
Аннотация
Исследования выполнены с целью получения данных, необходимых для повышения
точности расчета и оптимизации конструкций пьезоэлектрических датчиков механиче-
ских величин, которые широко используются для контроля, мониторинга и диагностики
сложного оборудовании и инженерных сооружений в различных областях техники. Задача
исследований состоит в изучении особенностей рабочих деформаций в пьезоэлектрическом
электромеханическом преобразователе в области крепления к основанию датчика и оценке
их влияния на основные метрологические характеристики. Объектом исследования являет-
ся электромеханический преобразователь в виде цилиндрического монолитного блока из
пьезоэлектрической керамики с отношением высоты к диаметру от 0,33 до 2, закреплен-
ный на основании датчика, на которое воздействует поступательное ускорение вибраци-
онных колебаний со стороны контролируемого объекта. С использованием программного
пакета ANSYS Multiphysics исследована математическая модель преобразователя с двумя
принципиально разными типами крепления «свободно-скользящего» и «жесткого». При
этом выявлен механизм поперечного механического шунтирования деформации преобразо-
вателя в области границы жесткого креплении. Для количественной оценки влияния усло-
вий крепления на характеристики преобразователя предложены «коэффициент влияния
крепления» и формула для его определения при различных отношениях высоты к диаметру
преобразователя. Для определения влияния крепления преобразователя в реальных конст-
рукциях датчиков разработана методика и проведены экспериментальные исследования с
учетом свойств используемых на практике конструкционных материалов и наиболее час-
то применяемого упругого поджатия элементов. Установлено, что свойства материала
основания и соотношения размеров преобразователя в реальной конструкции датчика мо-
гут вызывать изменения его коэффициента преобразования по напряжению до 15 %, ко-
эффициента преобразования по заряду до 22 %, электрической емкости до 9 % и частоты
продольного резонанса до 16 %. Влияние граничных условий крепления снижается одновре-
менно с возрастанием относительной высоты преобразователя. Экспериментально полу-
чены данные для расчета коэффициента влияния крепления при выполнении основания
датчиков из металлов с модулем упругости от 74 до 300 ГПа и плотностью от 2,7 до 17,5
т/м3. Результаты проведенных исследований могут учитываться при конструировании
пьезоэлектрических датчиков механических величин.
Литература
tekhnologicheskikh protsessov: spravochnik: v 2 t. [Sensors for measurument, control, diagnostics
and management of physical and technological processes: handbook in 2 vol.], under
the general ed. A.V. Gorisha, ed. by A.G. Dmitrienko, A.N. Kotova, Yu.N. Makarova,
S.A. Ponomareva. Vol. 1. B. 1. Moscow: FGBOU VPO MGUL, 2012, 576 p.
2. Crocker M.J., Arenas J.P. Engineering Acoustics: Noise and Vibration Control. Springer,
2012, 706 p.
3. Kostyukov V.N., Naumenko A.P. Osnovy vibroakusticheskoy diagnostiki i monitoringa mashin
[Basics of vibroacoustic diagnostics and monitoring of the machines: tutorial]. Omsk:
OmGTU, 2011, 360 p.
4. Mokrov E.A. Sostoyanie, problemy i puti razvitiya datchikostroeniya [Condition, problems and
development ways of sensor engineering], Datchiki i sistemy – 2006: Sb. trudov Vserossiyskoy
nauchno-prakticheskoy konferentsii (Moskva, 30–31 maya 2006 g.) [Sensors and Systems-
2006: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference (Moscow, May 30-
31, 2006). Penza: FNPTS FGUP «NII fizicheskikh izmereniy», 2006, pp. 6-14.
5. Gorish A.V., Panich A.E., Svirskaya S.N., Yanchich V.V. Perspektivy razvitiya
p'ezoelektricheskikh datchikov mekhanicheskikh velichin dlya RKT i drugikh oblastey [The
development prospects of piezosensors of mechanical values for rocket and space technique
and other fields], Sb. tr. nauch.-tekhn. konf. «Informatsionno-izmeritel'naya tekhnika» [Proceedings
of the scientific and technical conference "Information and Measurement Technology"].
Moscow: RUND, 2014, pp. 282-293.
6. Bogush M.V. Proektirovanie p'ezoelektricheskikh datchikov na osnove prostranstvennykh
elektrouprugikh modeley. (P'ezoelektricheskoe priborostroenie T. IX.) [Design of piezoelectric
sensors based on spatial electroelastic models. (Piezoelectric instrument making Vol. IX)].
Moscow: Tekhnosfera, 2014, 312 p.
7. Yanchich V.V., Panich A.E. Dvukhparametrovyy p'ezoelektricheskiy datchik postupatel'nogo i
uglovogo uskoreniya [Two-parameter piezoelectric sensor of progressive and angular acceleration],
Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016,
No. 2, pp. 191-199.
8. Yanchich V.V., Yanchich Vl.V. Preobrazovateli p'ezoelektricheskikh datchikov
mekhanicheskikh velichin (konstruktsii i puti razvitiya) [The transducers of mechanical values
piezosensors (constructions and development ways)]. Saarbrucken, Deutschland: LAP, 2013,
142 p.
9. Serridge M., Licht T.R. Piezoelectric accelerometers and vibration preamplifiers: theory and
application handbook. Nerum, Denmark: Brüel and Kjær, 1987, 150 p.
10. Levinzon F. Piezoelectics Accelerometers with Integral Electrronics. NYC: Springer, 2015,
168 p.
11. Mit'ko V.N., Kramarov Yu.A., Panich A.A. Matematicheskoe modelirovanie fizicheskikh
protsessov v p'ezoelektricheskom priborostroenii. (P'ezoelektricheskoe priborostroenie. T. 6)
[Mathematical modeling of physical processes in piezoelectric instrumentation. (Piezoelectric
instrumentation. Vol. 6). Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2009, 240 p.
12. Yanchich Vl.V., Mit'ko V.N. Issledovanie mekhanicheskikh napryazheniy i elektricheskikh
poley v p'ezoelektricheskom preobrazovatele akselerometra metodom konechnykh elementov
[The research of mechanical stresses and electric fields in piezosensor of accelerometer by the
final elements method], Sb. tez. VIII Vseros. nauch.-tekhn. konf. «Aktual'nye problemy
p'ezoelektricheskogo priborostroeniya» [Digest of theses of the VIII All-Russian scientific and
technological conference «The piezoelectric instrumentation actual problems»]. Rostov-on-
Don: Izd-vo YuFU, 2012, pp. 50-54.
13. Han-Chin Wu. Continuum Mechanics and Plasticity. Taylor & Francis, 2004, 704 p.
14. Yanchich V.V. P'ezoelektricheskie vibroizmeritel'nye preobrazovateli (akselerometry).
(P'ezoelektricheskoe priborostroenie. T. 7) [Piezoelectric vibration measuring transducers (accelerometers).
(Piezoelectric instrument making. Vol. 7). Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU,
2010, 304 p.
15. Liu B., Tcherniak D., Jacobson N., Olsen M. Smart Setap and Accelerometer Mounting Check
for Vibration Measurements, Sensors and Instrumentation. Proceedings of the 34th IMAC,
A Conference and Exposition on Structural Dynamics, 2016, Vol. 5, pp. 9-34.
16. Veber M. Piezoelektrische Beschleuningungs aufnehmer. MFF, 2012, 55 p.
17. Acoustic and vibration transducers. Reliability and precision based on superior technology.
Denmark: Brüel & Kjær. 1996, 60 p.
18. Panich A.E., Topolov V.Yu. Fizika segneto- i p'ezoelektrikov [Physics of ferroelectrics and
piezoelectrics]. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2009, 171 p.
19. A.s. SU 1103161. Ustroystvo dlya izmereniya prodol'nogo p'ezomodulya [Patent SU 1103161.
Ustroystvo dlya izmereniya prodolnogo piezomodulya [Longitudinal piezomodule],
V.K. Dolya, O.P. Kramarov, Yu.A. Kramarov. 1984, bull. No. 26.
20. Robert M. Jones. Deformation Theory of Plasticity. Bull Ridge Publ, 2009, 621 p.
