RU2160428C2 - Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains - Google Patents

Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains Download PDF

Info

Publication number
RU2160428C2
RU2160428C2 RU98115432/28A RU98115432A RU2160428C2 RU 2160428 C2 RU2160428 C2 RU 2160428C2 RU 98115432/28 A RU98115432/28 A RU 98115432/28A RU 98115432 A RU98115432 A RU 98115432A RU 2160428 C2 RU2160428 C2 RU 2160428C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
transducer
base
film
dynamic
Prior art date
Application number
RU98115432/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98115432A (en
Inventor
В.И. Попков
А.Г. Трошин
зычный В.В. Безъ
В.В. Безъязычный
А.И. Курбатов
А.А. Орлов
Original Assignee
Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова filed Critical Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова
Priority to RU98115432/28A priority Critical patent/RU2160428C2/en
Publication of RU98115432A publication Critical patent/RU98115432A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2160428C2 publication Critical patent/RU2160428C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: dynamic strain measuring facilities measuring the dynamic strained condition of engineering constructions. SUBSTANCE: the principle of transducer operation is based on direct piezoelectric effect. The transducer body is made of plastic material with a low longitudinal modulus of elasticity. The body material and dimensions are so selected that the stiffness of the adhesive layer would be considerably higher than that of the transducer body base. The base has a rib facing inside the body, oriented normally to the base bearing surface and having a constant thickness. A piezoelectric element with electrodes is applied onto the rib vertical plane by the adhesion method. The transducer has a standard microconnector for connection to a preamplifier, compatible with traditional vibration - metering equipment and can measure very low values of dynamic strains from 10-6μm/m. The transducer may be used many times with a stability of the amplitude-frequency response within 3 to 9% and phase-frequency response within 0.1 to 0.3 deg. The transducer is attached to the object with the aid of adhesive. EFFECT: enhanced accuracy of measurements and reduced lateral sensitivity and sensitivity to acoustic pressure and electromagnetic fields. 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам измерения динамической деформации, а именно к датчикам динамической деформации, измеряющим динамическое деформируемое состояние инженерных конструкций. The invention relates to means for measuring dynamic deformation, and in particular to sensors of dynamic deformation that measure the dynamic deformable state of engineering structures.

Датчик может быть использован при измерении моментов и динамических сил, потоков колебательной мощности в трубопроводах, валопроводах, деталях машин и других инженерных конструкциях, а также может использоваться для диагностики технического состояния машин, механизмов и инженерных конструкций. The sensor can be used to measure moments and dynamic forces, vibrational power flows in pipelines, shaft shafts, machine parts and other engineering structures, and can also be used to diagnose the technical condition of machines, mechanisms and engineering structures.

В качестве чувствительного элемента датчика используется пьезоэлемент, изготовленный из пьезополимерной пленки на основе поливинилиденфторида (ПВДФ). A piezoelectric element made of a piezopolymer film based on polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as a sensitive element of the sensor.

Традиционно в качестве датчиков деформации, как правило, используются проволочные тензодатчики резистивного типа. Однако при измерении деформации в широком частотном и динамическом диапазонах возникает ряд трудностей, связанных с их малой чувствительностью и необходимостью использования громоздких мостовых схем. Traditionally, strain gauge resistors are typically used as strain gauges. However, when measuring strain in a wide frequency and dynamic ranges, a number of difficulties arise associated with their low sensitivity and the need to use bulky bridge circuits.

Использование в этой области пьезопленочных датчиков для измерения динамической деформации многократного применения открывает принципиально новые возможности в плане расширения динамического диапазона измеряемых деформаций, повышения достоверности измерения, вибродиагностики технического состояния машин и конструкций, измерения потоков колебательной энергии в широком диапазоне частот. The use of piezoelectric film sensors for measuring dynamic deformation of multiple applications in this field opens up fundamentally new opportunities in terms of expanding the dynamic range of measured strains, increasing the reliability of measurement, vibration diagnostics of the technical condition of machines and structures, and measuring vibrational energy fluxes in a wide frequency range.

По сравнению с традиционными тензодатчиками новые датчики имеют ряд особенностей:
- нечувствительность к статическим деформациям,
- способность регистрировать очень малые величины деформаций от 10-6 мкм/м, что делает их незаменимыми в области структурной интенсиметрии и диагностике технического состояния механизмов и конструкций,
- совместимость с традиционной электронной техникой, применяемой в практике виброакустических измерений.Compared to traditional load cells, the new sensors have a number of features:
- insensitivity to static deformations,
- the ability to register very small strains from 10 -6 μm / m, which makes them indispensable in the field of structural intensimetry and diagnostics of the technical condition of mechanisms and structures,
- compatibility with traditional electronic equipment used in the practice of vibro-acoustic measurements.

Наиболее близкими техническими решениями (прототипом и аналогом) предлагаемого датчика являются устройства одноразового применения. Конструкция прототипа описана в отчете Акустического Института им. акад. Н.Н. Андреева "Разработка датчиков относительной динамической деформации на основе пьезополимерных пленок". УДК 534.232.73: 536.6. N Х 27584 (фиг. 1). Устройство включает в себя подложку 1 из полихлорвиниловой ленты, на которую приклеивается двухслойный пьезоэлемент из пьезопленки 2. Подложка 1 приклеивается к объекту измерений 3. The closest technical solutions (prototype and analogue) of the proposed sensor are disposable devices. The design of the prototype is described in the report of the Acoustic Institute. Acad. N.N. Andreeva "Development of sensors for relative dynamic deformation based on piezo-polymer films." UDC 534.232.73: 536.6. N X 27584 (Fig. 1). The device includes a substrate 1 made of PVC tape, onto which a two-layer piezoelectric element from a piezoelectric film 2 is glued. Substrate 1 is glued to the measurement object 3.

Конструкция аналога датчика описана в статье Р. Пиннингтона и С. Ли "Измерение потоков энергии в балках с помощью пьезопленок" материалы конференции "Интер-Нойс" 1996 г. Устройство, включает в себя пьезопленку с нанесенными на нее электродами. Пленка с электродами приклеивается к объекту измерения с помощью клея. The design of the sensor analog is described in the article by R. Pinnington and S. Lee, “Measurement of energy fluxes in beams using piezoelectric films”, materials of the 1996 Inter-Nois conference. The device includes a piezoelectric film with electrodes deposited on it. The film with electrodes is glued to the measurement object with glue.

Общим недостатком упомянутых двух устройств является то, что они не оформлены в виде конструкции-изделия, механически жесткий кабель непосредственно связан с пьезопленкой, поэтому они ненадежны и могут использоваться только в исключительно благоприятных условиях, например лабораторных. A common drawback of the two devices mentioned is that they are not designed as a product structure, the mechanically rigid cable is directly connected to the piezo-film, therefore they are unreliable and can only be used in extremely favorable conditions, for example, laboratory.

Недостатком прототипа является его повышенная чувствительность к звуковому давлению и электромагнитным полям. Он является устройством одноразового применения, которое не может быть предварительно прокалибровано, что не позволяет при измерении учитывать его амплитудно- частотные и фазовые частотные характеристики для повышения точности измерений. Кроме этого, прототип обладает высокой поперечной чувствительностью. The disadvantage of the prototype is its increased sensitivity to sound pressure and electromagnetic fields. It is a disposable device that cannot be pre-calibrated, which makes it impossible to take into account its amplitude-frequency and phase frequency characteristics when measuring to increase the accuracy of measurements. In addition, the prototype has a high lateral sensitivity.

Недостатком аналога является его повышенная чувствительность к звуковому давлению и электромагнитным полям. Он является устройством одноразового применения, которое не может быть предварительно прокалибровано, что не позволяет учитывать его амплитудно-частотные и фазовые частотные характеристики для повышения точности измерений. The disadvantage of the analogue is its increased sensitivity to sound pressure and electromagnetic fields. It is a one-time device that cannot be pre-calibrated, which does not allow taking into account its amplitude-frequency and phase frequency characteristics to improve measurement accuracy.

Целью предлагаемого изобретения является создание конструктивно оформленного, надежного в эксплуатации датчика, удовлетворяющего всем требованиям эксплуатации изделия и его многоразового использования со стабильностью амплитудно-частотных и фазовых частотных характеристик, обеспечивающего возможность калибровать и использовать данные калибровки для повышения точности измерений, а также уменьшение поперечной чувствительности и чувствительности к звуковому давлению и электромагнитным полям. The aim of the invention is to create a structurally designed, reliable in operation sensor that meets all the requirements of the product and its reusable use with the stability of the amplitude-frequency and phase frequency characteristics, providing the ability to calibrate and use calibration data to improve measurement accuracy, as well as reducing the transverse sensitivity and sensitivity to sound pressure and electromagnetic fields.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 2), где представлена принципиальная схема заявляемого датчика. The invention is illustrated in the drawing (Fig. 2), which presents a schematic diagram of the inventive sensor.

Указанная цель достигается тем, что чувствительный элемент 1, представляющий собой пакет пьезопленки (фиг.2), располагается на ребре жесткости 2, которое перпендикулярно плоскости подложки-основания 3 датчика. При этом чувствительный элемент 1 воспринимает деформацию только в продольном направлении X и не воспринимает ее в поперечном направлении Y (фиг. 2). Материалы подложки-основания 3 и клеевого соединения датчика с изделием выбраны так, чтобы продольная жесткость подложки-основания была бы значительно меньше сдвиговой жесткости клеевого слоя, что обеспечивает практически полную передачу деформации от объекта измерений 4 к чувствительному элементу 1 без искажения по амплитуде и фазе при изменении толщины клея при многократной переклейке, то есть при многократном использовании. Это может быть пояснено формулой (1)

Figure 00000002

где Δq- относительная деформация датчика;
Δ - относительная деформация исследуемого изделия;
Eq - комплексный модуль продольной деформации вдоль оси X подложки-основания датчика;
Gk - комплексный модуль сдвига клеевого слоя;
hq - толщина подложки-основания датчика;
hk - толщина клея;
Lq - длина основания датчика.This goal is achieved by the fact that the sensitive element 1, which is a package of piezoelectric film (figure 2), is located on the stiffener 2, which is perpendicular to the plane of the substrate-base 3 of the sensor. In this case, the sensing element 1 perceives deformation only in the longitudinal direction X and does not perceive it in the transverse direction Y (Fig. 2). The materials of the substrate-base 3 and the adhesive connection of the sensor with the product are selected so that the longitudinal stiffness of the substrate-base is much less than the shear stiffness of the adhesive layer, which ensures almost complete transfer of strain from the measurement object 4 to the sensitive element 1 without distortion in amplitude and phase at changing the thickness of the glue with repeated re-sticking, that is, with repeated use. This can be illustrated by the formula (1)
Figure 00000002

where Δ q is the relative deformation of the sensor;
Δ is the relative deformation of the test product;
E q is the complex module of longitudinal deformation along the X axis of the substrate-base of the sensor;
G k is the complex shear modulus of the adhesive layer;
h q is the thickness of the substrate-base of the sensor;
h k is the thickness of the glue;
L q is the length of the base of the sensor.

При этом соотношение сдвиговой жесткости клеевого соединения и продольной жесткости подложки-основания, а также геометрические размеры датчика и клеевого слоя должны удовлетворять условию (2) для обеспечения многоразового применения

Figure 00000003

Для обеспечения защиты чувствительного элемента 1 от воздействия звукового давления и электромагнитных помех применена специальная крышка-кожух 5 арочного типа с внутренним металлическим покрытием.In this case, the ratio of the shear stiffness of the adhesive joint and the longitudinal stiffness of the substrate-base, as well as the geometric dimensions of the sensor and the adhesive layer must satisfy condition (2) to ensure multiple use
Figure 00000003

To ensure the protection of the sensitive element 1 from the effects of sound pressure and electromagnetic interference, a special cover-casing 5 of the arch type with an internal metal coating is used.

Для обеспечения защиты пьезопленки от механических повреждений между разъемом датчика 6, расположенным на крышке, и чувствительным элементом 1 введен гибкий электрический контакт 7, механически развязывающий пленку от разъема и измерительного кабеля между датчиком и измерительной аппаратурой. Кроме этого, для обеспечения того же эффекта кабель может быть жестко присоединен к корпусу датчика с применением указанного развязывающего гибкого электрического контакта 7. Результаты измерений опытного образца указанного датчика на калибровочной установке УКПТД-01, метрологически аттестованной во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (номер свидетельства 874) показали, что по сравнению с прототипом и аналогом поперечная чувствительность может быть уменьшена более чем в 3-10 раз, а чувствительность к звуковому давлению и электромагнитным помехам в 10 раз. Надежность датчика проверена 20-кратной переклейкой. Изменение амплитудно-частотной характеристики не превышало 9% и фазовой частотной характеристики 0,2 град в диапазоне частот 5-800 Гц. To ensure the protection of the piezoelectric film from mechanical damage, a flexible electrical contact 7 is inserted between the sensor connector 6 located on the cover and the sensor element 1, which mechanically decouples the film from the connector and the measuring cable between the sensor and measuring equipment. In addition, to ensure the same effect, the cable can be rigidly connected to the sensor housing using the indicated decoupling flexible electrical contact 7. The measurement results of the prototype of the specified sensor on the calibration device UKPTD-01, metrologically certified in VNIIM them. DI. Mendeleev (certificate number 874) showed that, compared with the prototype and analogue, the transverse sensitivity can be reduced by more than 3-10 times, and the sensitivity to sound pressure and electromagnetic interference by 10 times. Reliability of the sensor is checked by 20-fold plywood. The change in the amplitude-frequency response did not exceed 9% and the phase frequency response of 0.2 degrees in the frequency range 5-800 Hz.

Claims (1)

Пьезопленочный датчик для измерения динамических деформаций многократного применения, имеющий корпус с плоской поверхностью крепления и пьезополимерную пленку в качестве электромеханического преобразователя, отличающийся тем, что для обеспечения постоянства амплитудно-частотных и фазовых частотных характеристик датчика при его многократном использовании корпус датчика крепится к исследуемому изделию клеевым способом и выполнен из материала типа пластмассы с малым продольным модулем упругости, при этом материалы и размеры корпуса и клея выбраны такими, чтобы жесткость клеевого слоя была бы значительно больше жесткости подложки-основания корпуса датчика, для исключения поперечной чувствительности подложка-основание корпуса имеет обращенное внутрь корпуса датчика ребро, ориентированное нормально к опорной поверхности подложки-основания и имеющее постоянную толщину, на вертикальной плоскости ребра клеевым способом нанесен пьезопленочный элемент с электродами, для обеспечения помехозащищенности датчика от электромагнитных полей, внешних шумов, пыли и влаги корпус выполнен герметичным и на боковые и внутренние поверхности корпуса нанесена помехозащищающая фольга, а для обеспечения надежности в работе и защиты пьезопленки от механических повреждений между разъемом датчика, расположенным на крышке, и чувствительным элементом введен гибкий электрический контакт, развязывающий механически пленку от разъема
при присоединении измерительного кабеля между датчиком и измерительной аппаратурой.A piezo-film sensor for measuring dynamic deformations of repeated use, having a body with a flat mounting surface and a piezo-polymer film as an electromechanical transducer, characterized in that to ensure the constancy of the amplitude-frequency and phase frequency characteristics of the sensor when it is reused, the sensor body is attached to the test product by the adhesive method and made of a material such as plastic with a small longitudinal modulus of elasticity, while the materials and dimensions of the housing and the adhesive was chosen so that the stiffness of the adhesive layer would be significantly greater than the rigidity of the substrate-base of the sensor body, to avoid lateral sensitivity, the substrate-base of the body has a rib facing the inside of the sensor body, oriented normally to the supporting surface of the substrate-base and having a constant thickness, a piezoelectric element with electrodes is applied by glue to the vertical plane of the rib to ensure the noise immunity of the sensor from electromagnetic fields, external noise, dust and moisture to the housing is sealed and an anti-interference foil is applied to the side and inner surfaces of the housing, and to ensure reliability in operation and to protect the piezo-film from mechanical damage, a flexible electrical contact is introduced between the sensor connector and the sensitive element, which decouples the film from the connector mechanically
when connecting a measuring cable between the sensor and the measuring equipment.
RU98115432/28A 1998-08-11 1998-08-11 Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains RU2160428C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98115432/28A RU2160428C2 (en) 1998-08-11 1998-08-11 Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98115432/28A RU2160428C2 (en) 1998-08-11 1998-08-11 Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98115432A RU98115432A (en) 2000-06-10
RU2160428C2 true RU2160428C2 (en) 2000-12-10

Family

ID=20209545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98115432/28A RU2160428C2 (en) 1998-08-11 1998-08-11 Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2160428C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2643685C1 (en) * 2016-09-07 2018-02-05 Владимир Яковлевич Бараш Piezoelectric vibration-measuring transducer with internal excitation of deformation and methods of its calibration
RU2720661C2 (en) * 2016-01-18 2020-05-12 Ультера, Инк. Compact ultrasonic device comprising an annular ultrasonic matrix electrically connected in periphery with a flexible printed circuit board, and a method of assembling such a device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2720661C2 (en) * 2016-01-18 2020-05-12 Ультера, Инк. Compact ultrasonic device comprising an annular ultrasonic matrix electrically connected in periphery with a flexible printed circuit board, and a method of assembling such a device
RU2643685C1 (en) * 2016-09-07 2018-02-05 Владимир Яковлевич Бараш Piezoelectric vibration-measuring transducer with internal excitation of deformation and methods of its calibration

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10429255B2 (en) Piezoelectric sensor and detecting device
KR940006950B1 (en) Piezoelectric acceleration sensor and Piezoelectric acceleration sensor device
JPS6135581A (en) Piezoelectric converter and pressure sensor using converter of this type
JP2006226858A (en) Fluctuation load sensor, and tactile sensor using the same
WO2018088065A1 (en) Sensor element, inertia sensor and electronic apparatus
KR20140067650A (en) Torque sensor
RU2160428C2 (en) Multiple-use piezoelectric film transducer for measurement of dynamic strains
US7204162B2 (en) Capacitive strain gauge
US7444883B2 (en) Vibrating beam force transducer
WO2012098901A1 (en) Acceleration sensor
JPH09297082A (en) Pressure sensor
CN106771366B (en) MEMS accelerometer health state monitoring device and monitoring method
RU2711183C1 (en) Strain gauge for measuring load on axis of cargo vehicle and system for measuring load on axis of cargo vehicle
JP2008076264A (en) Compound sensor
US9697866B2 (en) Device and method for measuring pitch and roll torques
JPH03249530A (en) Distribution type tactile sensor
JPS6177712A (en) Angular speed sensor
JPH0414946Y2 (en)
CN220455346U (en) Acceleration sensor and electronic equipment
JPS6011478Y2 (en) Thermal expansion error prevention structure of low load adhesive constitutive force transducer
JPH09280970A (en) Shearing force detector
JP2001153735A (en) Load cell
US11680797B2 (en) Physical quantity sensor
JP2003262502A (en) Strain sensor and stress sensor using anisotropic piezoelectric
JP2011209270A (en) Angular velocity sensor element

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050812