ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 7, № 3, 2011, стр. 13-17
МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА
УДК 539.3:620.1.08:53.08:629.12
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ
© 2011 г. М.О. Леви1, И.Е. Анджикович1, 2, Е.И. Ворович1, 3, И.Б. Михайлова1
Представлены результаты экспериментальных методов исследования свойств неоднородных сред, основанных на применении датчиков ускорения (акселерометров), скорости (лазерного интерферометра) и деформации (пленочных сегнетоэлектрических датчиков деформации). Обсуждаются возможности использования сверхминиатюрных широкополосных датчиков динамической деформации генераторного типа.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, поверхностное волновое поле, тонкопленочные сег-нетоэлектрические датчики, датчики деформации, акселерометры, лазерный интерферометр.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема разработки интегральных методов не-разрушающего контроля состояния и прочностного ресурса узлов и деталей инженерных конструкций является ключевой для повышения надежности их эксплуатации и предотвращения аварийных ситуаций. В [1-3] построены определяющие соотношения и выявлены некоторые закономерности, связывающие напряженное состояние и структуру среды с интегральными параметрами динамических процессов. В [4] предложен метод и приведены результаты экспериментального исследования интегральных параметров динамических процессов и резонансных явлений на поверхности тел, выполненных из структурно неоднородных и композиционных материалов со сложными физико-механическими свойствами. Было отмечено, что важную роль в интегральной оценке динамических свойств может играть система датчик - контролируемый объект за счет создания резонансного режима колебаний, обеспечивающего четкий контроль за изменением динамических свойств среды.
Альтернативным методом контроля динамических свойств среды является метод, основанный на
1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова 41; e-mail: levi@ssc-ras.ru, michailova@ssc-ras.ru
2 НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воро-вича Южного федерального университета, 344090, Ростов-на-Дону, пр. Стачки 200/1; e-mail: ocean_8@mail.ru
3 Донской государственный технический университет,
344000, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1; e-mail: tbelen415@
mail.ru
использовании датчиков динамической деформации генераторного типа [5-7]. Основу датчика составляет сегнетоэлектрическая плёнка РЪ^г,Т1)03 (PZT), нанесённая методом высокочастотного распыления на подложку из металлической фольги (1Х18Н9Т) толщиной 40 мкм. Толщина сегнетоэлектрической плёнки ~1 мкм. Возникшие в процессе осаждения из-за значительной разницы параметров решетки пленки и подложки начальные напряжения обусловили резкое усиление диэлектрических и пьезо-активных свойств сегнетоэлектрика и как результат - ее высокую чувствительность к деформации [8, 9]. Получился датчик динамической деформации генераторного типа со следующими параметрами: чувствительность приведенной к 10 мкВ относительной деформации 10-9; динамический диапазон 150 дБ; емкость ~ 800 пФ; диапазон рабочих частот 10-3-109 Гц; рабочие температуры от -190 до +200 °С; размеры 0,5 х 0,5 х 0,01 мм; масса (не более) 10-3 г [5].
За счет начальной деформации кристалла при нанесении на подложку возникла пьезоактивная гете-роструктура, обладающая сверхвысоким значением диэлектрической проницаемости, а также неординарным значением пьезомодуля ё33 = 7 • 10-9 к/н. Особенностью датчиков является то, что с точки зрения прочностных (механических) свойств он имеет свойства подложки (металла), а с точки зрения преобразования динамической деформации -свойства сегнетоэлектрической пьезокерамики, для которой характерны высокая диэлектрическая проницаемость и большие значения пьезомодуля. Рисунок 1 дает некоторое представление о размерах датчика динамической деформации.
14
М.О. ЛЕВИ и др.
Рис. 1. Датчик динамической деформации на основе сегнето-электрических пленок
Рис. 2. Акселерометры фирмы 1СР
Рис. 3. Интерферометр фирмы Ро1у;ес PDV 100
Рис. 4. Схема эксперимента
Особенностью используемых датчиков является то, что в отличие от акселерометров они регистрируют не ускорение, а деформацию среды. Это обусловливает необходимость коренного пересмотра методов и подходов к экспериментальному исследованию динамических процессов в среде, основанному на использовании указанных датчиков. В настоящей работе приведены результаты сравнительного анализа экспериментальных исследований динамических процессов с помощью рассматриваемых тонкопленочных датчиков и представленных на рисунках акселерометров фирмы 1СР (рис. 2) и интерферометра фирмы Ро1у;ес (рис. 3).
В качестве объекта для сравнительного анализа использовалась модель, представляющая стержень квадратного сечения размером 16 х 16 мм, длиной 470 мм, в котором на расстоянии 3 мм от одной из граней прорезана сквозная щель толщиной 0,1 мм и длиной 60 мм. Схема эксперимента представлена на рисунке 4. Стрелками отмечены края трещины, а также датчик.
Датчик динамической деформации, акселерометры и интерферометр регистрировали динамический процесс в районе трещины, инициированный вертикальной импульсной нагрузкой, приложенной к поверхности стержня в районе его торца.
Исследование показало, что пленочный датчик, равно как и интерферометр, в отличие от акселерометров не вносит возмущение в поверхностное волновое поле. На рисунках 5 и 6 приведены характерные осциллограммы деформации (рис. 5, масштабный множитель 0,75) и скорости перемещения поверхности (рис. 6) стержня, ослабленного наличием горизонтально ориентированной трещины, зарегистрированные пленочным датчиком и интерферометром соответственно. Второй особенностью является то, что интерферометр регистрирует вертикальные колебания поверхности, в то время как пленочный датчик, обладая высокой чувствитель-
3,72 3,76 3,8 3,84 3,88 3,92 3,96 4
Рис. 5. Осциллограмма волнового поля, зарегистрированного сегнетоэлектрическим датчиком
1 .......:...!.... 1 У
.......... в Л ж щ гзфяа
.......:......г.........
\ \ \
Ц)2 1ДЗ Ш 1Д)5 1Д)6 1Д7 1Д)8 1ДО
Рис. 6. Осциллограмма скорости перемещения поверхности стержня, зарегистрированной интерферометром
ностью к изгибной деформации, регистрирует оба ет, что амплитуда низкочастотной волны изгибной процесса. Это нетрудно заметить по осциллограм- деформации намного превышает амплитуду поверх-ме, представленной на рисунке 5, из которой следу- ностной волны.
16
М.О. ЛЕВИ и др.
10,576 10,58 10,584 10,588 10,592 10,596 10,6 10,604 10,608 10,612 10,616 10,62 Рис. 7. Осциллограмма волнового поля, зарегистрированного сегнетоэлектрическим датчиком, после применения фильтра
Для исследования особенностей динамического процесса, обусловленного наличием трещины, волна изгибной деформации является неинформативной, что обусловливает необходимость использования специального фильтра, позволяющего очистить сигнал от паразитных частот. На рисунке 7 представлена осциллограмма деформации поверхности, полученная с пленочного датчика, после применения фильтра.
Сравнивая осциллограммы, представленные на рисунках 6 и 7, нетрудно видеть, что обработанный с помощью фильтра сигнал с пленочного датчика несет в себе более богатую информацию о волновом поле на поверхности среды по сравнению с сигналом, полученным от интерферометра. Таким образом, с помощью пленочных датчиков можно эффективно контролировать волновой процесс на поверхности среды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинчук В.В., Белянкова Т.И., Евдокимова О.В. Определяющие соотношения динамики преднапряженной пьезоактивной среды в отсутствие внешних электрических полей // Вестник Южного научного центра РАН. 2006. Т. 2. № 1. С. 16-23.
2. Белянкова Т.И., Лыжов В.А. Некоторые особенности динамики слабо неоднородных пьезоактивных структур // Вестник Южного научного центра РАН. 2010. Т. 6. № 2. С. 3-10.
3. Белянкова Т.И., Анджикович И.Е., Шейдаков Д.Н. Резонансный мониторинг структуры слоисто-неоднородной среды // Вестник Южного научного центра РАН. 2007. Т. 3. № 3. С. 3-8.
4. Мухортов В.М., Маматов А.А., Зеленчук П.А. и др. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнето-электрических пленок: получение, свойства и применение // Нанотехника. 2007. Т. 3. Вып. 11. С. 59-72.
5. Мухортов В.М., Головко Ю.И., Колесников В.В. и др. Геометрические эффекты в наноразмерных эпитак-сиальных пленках титаната бария-стронция // ЖТФ. 2007. Т. 77. Вып. 10. С. 103-108.
6. Бирюков С.В., Головко Ю.И., Масычев С.И. и др. Исследование пьезоактивности тонких пленок цирконат-титаната свинца // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 8. С. 90-92.
7. Мухортов В.М., Мухортов Вас. М., Бирюков С.В. Новый датчик динамической деформации на основе тонких пьезоэлектрических пленок, полученных ионно-плазменным напылением // Мир измерений. 2007. Вып. 7. С. 45-61.
8. Есипов Ю.В., Мухортов В.М. Интегральные датчики динамической деформации на основе тонких сегнето-электрических пленок для мониторинга сложных механических систем // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 1. С. 8285.
9. Есипов Ю.В., Мухортов В.М., Калинчук В.В., Анджикович И.Е. О возможности раннего диагноза состояния стержневых конструкций с применением сегнето-электрических датчиков динамической деформации // Экологический вестник научных центров ЧЭС. 2010. № 4. С. 29-35.
ON APPLICATION POSSIBILITY OF FERROELECTRIC STRAIN SENSORS TO STUDY SURFACE WAVE FIELDS
M.O. Levi, I.E. Andzhikovich, E.I. Vorovich, and I.B. Mikhailova
The results of experimental methods of properties analysis for heterogeneous media, based on the application of acceleration sensors (accelerometers), speed sensors (laser interferometer), and strain sensors (thin-film ferroelectric strain sensors), are presented. The possibilities are discussed for the application of subminiature broadband generator-type
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.