XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

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 1880г. 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.

Список использованной литературы

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

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

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

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

Код для цитирования: Скопировать