RU2690416C1 - Датчик вибраций - Google Patents
Датчик вибраций Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690416C1 RU2690416C1 RU2018112600A RU2018112600A RU2690416C1 RU 2690416 C1 RU2690416 C1 RU 2690416C1 RU 2018112600 A RU2018112600 A RU 2018112600A RU 2018112600 A RU2018112600 A RU 2018112600A RU 2690416 C1 RU2690416 C1 RU 2690416C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- piezoelectric
- sensor
- electroluminescent element
- light guide
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 12
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 18
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
- G01L11/04—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by acoustic means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения объемного напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики давления, вибраций и дефектоскопии композитов в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления. Заявленный датчик вибраций содержит пьезоэлектрический пластинчатый элемент, электроды, нанесенные на внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, параллельные его серединной поверхности, подключенный к электродам электролюминесцентный элемент. Причем в него дополнительно введены световод, расположенный вблизи электролюминесцентного элемента, и два управляющих внутренних линейных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду и проходящих через электролюминесцентный элемент. В качестве регистратора использован приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из световода. Технический результат - определение характеристики механического воздействия в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повышение чувствительности для диагностики малых амплитуд и низких частот механических воздействий и расширение диапазона измеряемых характеристик механических воздействий. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения объемного напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики давления, вибраций и дефектоскопии композитов в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является датчик для визуализации и мониторинга динамической нагрузки [Jiа Y., Tian X., Wu Z., Tian X., Zhou J., Fang Y., Zhu C. Novel Mechano-Luminescent Sensors Based on Piezoelectric/Electroluminescent Composites // Sensors. - 2011, Vol. 11, no. 4, pp. 3962-3969]. Датчик состоит из пьезоэлектрической пластины с наружными электродами, подключенными к электролюминесцентному слою на торце пластины. При действии вибрационного давления на пьезопластины на электродах возникают электрические заряды, которые приводят к свечению электролюминесцентного слоя, интенсивность электролюминесцентного свечения определяется визуальным наблюдением или регистратором интенсивности оптических сигналов; механолюминесцентный эффект в датчике появляется в результате связи пьезоэлектрического и электролюминесцентного эффектов, интенсивность электролюминесцентного свечения зависит от величины и частоты нагрузки.
Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический пластинчатый элемент; электроды, нанесенные на внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, параллельные его серединной поверхности;
электролюминесцентный элемент, подключенный к электродам, регистратор интенсивности оптических сигналов.
Недостатками известной конструкции, принятой за прототип, являются невозможность определения датчиком характеристик механического воздействия (вибрационного давления) в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики; низкая чувствительность датчика при диагностике малых амплитуд и низких частотах механических воздействий. Кроме того, известный датчик не является распределенным датчиком.
Задачей изобретения является разработка датчика, позволяющего определить характеристики механического воздействия в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий и расширить диапазон измеряемых характеристик механических воздействий.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известный датчик вибраций, содержащий пьезоэлектрический пластинчатый элемент, электроды, нанесенные на внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, параллельные его серединной поверхности, подключенный к электродам электролюминесцентный элемент, регистратор интенсивности оптических сигналов, согласно изобретению дополнительно введены световод, расположенный вблизи электролюминесцентного элемента, и два управляющих внутренних линейных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду, и проходящих через электролюминесцентный элемент, в качестве регистратора использован приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из световода.
Датчик может дополнительно содержать второй пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый и второй пьезоэлектрические пластинчатые элементы имеют электроды на внешних поверхностях и разделены общим электродом, причем электроды с одноименными положительными или отрицательными пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами и подключены к электролюминесцентному элементу.
Датчик может быть выполнен по спиральному типу таким образом, что входящие при намотке в контакт одноименные по знаку возникающих на них зарядов электроды на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических элементов биморфа объединены в один общий электрод.
Датчик может быть выполнен составным, включающим однотипные заявляемые датчики, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.
Датчик может быть помещен во внутрь защитной полимерной оболочки.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: световод, расположенный вблизи электролюминесцентного элемент; два управляющих внутренних линейных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду, и проходящих через электролюминесцентный элемент, в качестве регистратора использован приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из световода; датчик дополнительно содержит второй пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый и второй пьезоэлектрические пластинчатые элементы имеют электроды на внешних поверхностях и разделены общим электродом, причем электроды с одноименными положительными или отрицательными пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами и подключены к электролюминесцентному элементу; датчик выполнен по спиральному типу таким образом, что входящие при намотке в контакт одноименные по знаку возникающих на них зарядов электроды на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических элементов биморфа объединены в один общий электрод; датчик выполнен составным, включающим однотипные заявляемые датчики, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах; датчик помещен во внутрь защитной полимерной оболочки.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют датчику определить характеристики механического воздействия (вибрационного давления) в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий и расширить диапазон измеряемых характеристик механических воздействий.
Датчик вибраций иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-.3, в частности, при воздействии давления р.
На фиг. 1 изображен одиночный датчик консольного типа.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение датчика спирального типа.
На фиг. 3 изображен фрагмент составного датчика спирального типа, вид сверху.
Датчик вибраций (фиг. 1) содержит световод 1, электролюминесцентный элемент 2, расположенный вблизи боковой поверхности световода 1, и пьезоэлектрический пластинчатый элемент 3. На две противоположные внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента 3, параллельные его серединной поверхности, нанесены электроды 4, 5.
Электролюминесцентный элемент 2 подключен к электродам 4, 5. Параллельно световоду 1 расположены на некотором расстоянии друг от друга два управляющие внутренние линейные электроды 6, 7, проходящие через электролюминесцентный элемент 2. На выходе из световода 1 установлен приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов (на чертежах не показан).
Для скрепления электролюминесцентного элемента 2 и световода 1 может быть дополнительно использована внешняя цилиндрическая оболочка 8, коаксиально охватывающая световод 1 и электролюминесцентный элемент 2 с управляющими линейными электродами 6, 7. В частности, в качестве такой оболочки 8 может быть использована имеющаяся оболочка вокруг сердцевины оптоволокна (световода 1).
Для повышения чувствительности и расширения рабочего диапазона измерений механических воздействий через усиление информативной светоотдачи электролюминесцентного элемента 2 датчик вибраций может быть выполнен биморфным и дополнительно содержать второй 9 пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый 3 и второй 9 пьезоэлектрические пластинчатые элементы 3, 9 имеют электроды 4, 10 на внешних поверхностях и разделены общим электродом 5. Электроды с одноименными (положительными или отрицательными) пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами (на фиг. 1 не показаны) и подключены к электролюминесцентному элементу 2, вызывая его информативное свечение. Поляризация пластин по толщине может быть взаимо сонаправленной или противоположно направленной в зависимости от вида диагностируемых вибраций, в частности, для изгибных вибраций имеем сонаправленную, а для вибраций давления - противоположно направленную поляризацию пластин по толщине.
Конструктивно биморфный датчик вибраций давления может быть выполнен по спиральному типу (фиг. 2, 3), когда входящие «при намотке» в контакт одноименные (по знаку возникающих на них зарядов) электроды 4, 10 на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических пластин биморфа могут быть объединены в один общий электрод 10.
Для диагностики механических воздействий (давления, вибраций) на протяженных участках объекта и определения локаций неоднородностей амплитуд и частоты механических воздействий по длине датчика может быть создан дискретно распределенный (составной) датчик (фиг. 3). Для его создания, однотипные одиночные датчики 11-18 последовательно (на малом расстоянии между собой) расположены на единых световоде 1 и двух управляющих внутренних линейных электродах 6, 7.
Датчик может быть помещен во внутрь защитной полимерной оболочки (на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 не показана). Защитная полимерная оболочка датчика необходима для защиты от механических повреждений, фиксации заданного взаимного расположения и ориентаций измерительных элементов внутри объема датчика и для механической трансляции на измерительные элементы лишь однородной макроскопической (осредненной) составляющей действующего (в частности, со стороны диагностируемой микронеоднородной композитной конструкции) в окрестности внешней границы буферного слоя микронеоднородного напряженного состояния.
Устройство работает следующим образом.
Механические поля воздействуют на пьезоэлектрические элементы 3, 9 с возникновением на их гранях в силу «прямого пьезоэффекта» электрических зарядов, которые передаются по электродам 4, 5, 10 на электролюминесцентный элемент 2, создавая на нем электрическое напряжение, которое суммируется (по принципу суперпозиции полей) с электрическим напряжением на нем от действия управляющего 0 электрического напряжения на внутренних линейных управляющих электродах, в частности, 6, 7. Результирующее электрическое напряжение на электролюминесцентном элементе 2 обуславливает его свечение, которое проникает в световод 1 и передается по нему к приемнику-анализатору интенсивности оптических сигналов на выходе из световода 1.
Приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов включает в себя программное обеспечение, использующее один или несколько, в частности, два алгоритма цифровой обработки интенсивностей регистрируемых оптических сигналов на выходе из световода 1, согласно которым управляющее электрическое напряжение по длине электродов 6, 7 может быть, например, как постоянной (по длине электрода) величиной, так и в виде бегущего по электродам 6, 7 локационного электрического импульса, отличного от нуля лишь на локальном участке с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения по электродам 6, 7.
Подтверждение заявленных технических результатов: определение характеристик механического воздействия (вибрационного давления) в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повышение чувствительности для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий, расширение диапазона измеряемых характеристик механических воздействий, получено в результате проведенных численных экспериментов на основе разработанных двух алгоритмов, закладываемых в программное обеспечение приемника-анализатора цифровой обработки интенсивности оптических сигналов на выходе из световода, для локаций неоднородностей напряженного состояния (давления) по длине датчика:
- первый алгоритм с использованием локационного сканирующего электрического видеоимпульса с пошаговым изменением величины импульса на каждом цикле прохождения исследуемого локального участка,
- второй алгоритм с использованием локационной сканирующей бегущей гармонической волны с варьированием амплитуды.
Светоотдача светодиода задавалась «S-образной» кривой зависимости интенсивности свечения от приложенного к светодиоду электрического напряжения с характерными точками заданных пороговых напряжений для начала свечения и для начала насыщенного свечения светодиода.
Результаты обработки интенсивности световых сигналов на выходе из световода заявляемого датчика позволили определить характеристики вибраций в скрытых от визуального осмотра частях и/или внутренних областях объектов диагностики, повысить чувствительность для диагностики малых амплитуд и низких частотах механических воздействий и расширить диапазон измеряемых характеристик вибраций.
Кроме того, для диагностики вибраций на протяженных участках объекта и определения локаций неоднородности амплитуд и частоты вибраций по длине датчика может быть использован составной датчик, включающий однотипные заявляемые датчики, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.
Claims (6)
1. Датчик вибраций, содержащий пьезоэлектрический пластинчатый элемент, электроды, нанесенные на внешние поверхности пьезоэлектрического пластинчатого элемента, параллельные его серединной поверхности, подключенный к электродам электролюминесцентный элемент, регистратор интенсивности оптических сигналов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены световод, расположенный вблизи электролюминесцентного элемента, и два управляющих внутренних линейных электрода, расположенных на некотором расстоянии друг от друга параллельно световоду и проходящих через электролюминесцентный элемент, в качестве регистратора использован приемник-анализатор интенсивности оптических сигналов на выходе из световода.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй пьезоэлектрический пластинчатый элемент, при этом соединенные по типу «биморф» первый и второй пьезоэлектрические пластинчатые элементы имеют электроды на внешних поверхностях и разделены общим электродом, причем электроды с одноименными положительными или отрицательными пьезоэлектрическими зарядами соединены дополнительными, в частности, линейными электродами и подключены к электролюминесцентному элементу.
3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что он выполнен по спиральному типу таким образом, что входящие при намотке в контакт одноименные по знаку возникающих на них зарядов электроды на внешних поверхностях разных пьезоэлектрических элементов биморфа объединены в один общий электрод.
4. Датчик по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что он помещен во внутрь защитной полимерной оболочки.
5. Датчик по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен составным, включающим однотипные датчики по одному из пп. 1-3, последовательно расположенные на единых световоде и двух управляющих внутренних линейных электродах.
6. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что он помещен во внутрь защитной полимерной оболочки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112600A RU2690416C1 (ru) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Датчик вибраций |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112600A RU2690416C1 (ru) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Датчик вибраций |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2690416C1 true RU2690416C1 (ru) | 2019-06-03 |
Family
ID=67037746
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018112600A RU2690416C1 (ru) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Датчик вибраций |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2690416C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB843274A (en) * | 1956-06-19 | 1960-08-04 | Gen Electric | Improvements in means for detecting stress patterns |
US4374472A (en) * | 1979-09-29 | 1983-02-22 | Nissan Motor Co., Ltd. | Vibration sensor |
JP5060595B2 (ja) * | 2010-06-04 | 2012-10-31 | 株式会社東芝 | 文書分析装置 |
EP2908357A1 (en) * | 2012-10-12 | 2015-08-19 | Teijin Limited | Piezoelectric element |
RU162945U1 (ru) * | 2015-07-15 | 2016-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Астраханский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО АГТУ | Волоконно-оптический датчик давления |
RU2629883C2 (ru) * | 2013-04-26 | 2017-09-04 | Майкро Моушн, Инк. | Вибрационный датчик и способ изменения вибрации в вибрационном датчике |
-
2018
- 2018-04-06 RU RU2018112600A patent/RU2690416C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB843274A (en) * | 1956-06-19 | 1960-08-04 | Gen Electric | Improvements in means for detecting stress patterns |
US4374472A (en) * | 1979-09-29 | 1983-02-22 | Nissan Motor Co., Ltd. | Vibration sensor |
JP5060595B2 (ja) * | 2010-06-04 | 2012-10-31 | 株式会社東芝 | 文書分析装置 |
EP2908357A1 (en) * | 2012-10-12 | 2015-08-19 | Teijin Limited | Piezoelectric element |
RU2629883C2 (ru) * | 2013-04-26 | 2017-09-04 | Майкро Моушн, Инк. | Вибрационный датчик и способ изменения вибрации в вибрационном датчике |
RU162945U1 (ru) * | 2015-07-15 | 2016-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Астраханский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО АГТУ | Волоконно-оптический датчик давления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9746393B2 (en) | Fibre optic sensing | |
Sohn et al. | Delamination detection in composites through guided wave field image processing | |
JP6188335B2 (ja) | 漏洩検出器、漏洩位置特定方法および配管装置 | |
WO2018156084A1 (en) | Systems and methods for monitoring plastic deformation of a structured material | |
CN105424163A (zh) | 间接耦合锥形光纤光栅超声传感器 | |
CN110118829A (zh) | 一种声发射传感器的幅频特性的测试***及方法 | |
RU2690416C1 (ru) | Датчик вибраций | |
CN104034803B (zh) | 主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置及其监测方法 | |
CN102913761B (zh) | 双Sagnac管道安全监测*** | |
RU2670220C1 (ru) | Датчик вибраций | |
CN203894197U (zh) | 主被动波导监测桥梁拉吊索损伤的传感装置 | |
RU2504766C1 (ru) | Преобразователь акустической эмиссии | |
KR101684428B1 (ko) | 콘크리트 매립형 다방향성 손상 감지장치 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 손상 감지방법 | |
JP7259016B2 (ja) | ひずみ検出装置、ひずみ検出方法及び電気機器 | |
CN104913839A (zh) | 一种基于光纤m-z干涉仪的波动传感器 | |
Atique et al. | Detecting ultrasound using optical fibres | |
Rajic et al. | A distributed sensing capability for in situ time-domain separation of Lamb waves | |
Zargari et al. | A non-invasive optical fibre sensor for detection of partial discharges in SF/sub 6/-GIS systems | |
Eremin et al. | Localization of inhomogeneities in an elastic plate using the time reversal method | |
RU2664684C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик давления | |
Golub et al. | Continuous wavelet transform application in diagnostics of piezoelectric wafer active sensors | |
Lin et al. | Piezo-Optical Active Sensing With PWAS And FBG Sensors For Structural Health Monitoring | |
CN113203690B (zh) | 一种基于ofdr+emi的连续配筋混凝土路面裂缝监测***与方法 | |
An et al. | Remote guided wave imaging using wireless PZT excitation and laser vibrometer sensing for local bridge monitoring | |
Baravelli et al. | Photolithography-based realization of frequency steerable acoustic sensors on pvdf substrate |