RU2781805C1

RU2781805C1 - Low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensing element

Info

Publication number: RU2781805C1
Application number: RU2022101092A
Authority: RU
Inventors: Егор Андреевич Данилов; Сергей Владимирович Гонтарев; Владимир Маркович Самойлов
Original assignee: Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2022-10-18

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to a technique for measuring mechanical vibrations by converting an incoming disturbance into an electrical signal. A sensor of low-amplitude aperiodic vibrations based on a film sensing element containing an external power supply, a signal amplifier and a sensing element based on an electroactive polymer film, characterized in that the signal amplifier and the sensing element are placed in a tightly closed shielding housing, while the sensing element has electrodes on 2 sides, to which output wires are connected, through an insulating layer is fixed on a rigidly flexible console with a load pinched at one end.

EFFECT: significant reduction in reflection losses, removal of secondary resonances, harmonics and interference in the low and high frequencies and an increase in sensitivity by 1-2 orders of magnitude compared to traditional resonant non-amplifying circuits, in addition, it is possible to change the target range of operating frequencies without fundamentally changing the design of the sensor as a whole.

9 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике для измерения механических вибраций путем преобразования входящего возмущения в электрический сигнал, а конкретнее к области датчиков для электрических измерений виброакустических параметров, в т.ч. при единичных или случайных низкоамплитудных возмущениях.The invention relates to a technique for measuring mechanical vibrations by converting an incoming disturbance into an electrical signal, and more specifically to the field of sensors for electrical measurements of vibroacoustic parameters, incl. under single or random low-amplitude perturbations.

Измерение низкоамплитудных апериодических, в т.ч. случайных и единичных вибраций востребовано для применения в системах безопасности (обнаружение фактов проникновения и механического вмешательства в работу аппаратов и приборов), сейсмографии (определение малых колебаний поверхностных слоев почв и земной коры в общем случае), навигации, в частности, воздушной (своевременное обнаружение отклонений курса за счет турбулентностей, микроударов и т.п.) Известно значительное число способов принципиального решения подобного класса задач с помощью магнитных, электромагнитных, магнитострикционных приборов, датчиков на поверхностных акустических волнах, оптоволоконных и оптических датчиков. Большинство используемых методов подразумевает необходимость тонкой настройки, ограниченные деформационные возможности активных элементов, невозможность перенастройки датчика на другую основную частоту колебаний, сложность калибровки.Measurement of low-amplitude aperiodic, incl. random and single vibrations are in demand for use in security systems (detection of facts of penetration and mechanical interference in the operation of apparatus and instruments), seismography (determination of small fluctuations in the surface layers of soils and the earth's crust in the general case), navigation, in particular, air navigation (timely detection of deviations course due to turbulences, microshocks, etc.) There are a significant number of ways to fundamentally solve this class of problems using magnetic, electromagnetic, magnetostrictive devices, sensors on surface acoustic waves, fiber optic and optical sensors. Most of the methods used imply the need for fine tuning, limited deformation capabilities of active elements, the impossibility of reconfiguring the sensor to a different basic oscillation frequency, and the complexity of calibration.

Подобных недостатков лишены пьезоэлектрические и тензорезистивные датчики, в настоящее время крайне ограниченно использующиеся в целевой области применения. Существующие безусилительные датчики с резонансными пьезокерамическими элементами отличаются недостаточно качественной работой в условиях случайных и одиночных вибраций переменной частоты, т.к. обладают сложным спектром акустических колебаний, что усложняет обработку сигнала. Также существующие датчики имеют высокий акустический импеданс, что дополнительно усложняет акустический спектр за счет вторичных отражений сигнала. Также существующие датчики не могут быть перенастроены на другие частоты, т.к. используемые в них пьезокерамические резонаторы конструктивно предназначены для работы на одной основной частоте.Such shortcomings are devoid of piezoelectric and strain-resistive sensors, which are currently used extremely limitedly in the target area of application. Existing non-amplifier sensors with resonant piezoceramic elements are characterized by poor performance under conditions of random and single vibrations of variable frequency, because have a complex spectrum of acoustic vibrations, which complicates signal processing. Also, existing sensors have a high acoustic impedance, which further complicates the acoustic spectrum due to secondary signal reflections. Also, existing sensors cannot be reconfigured to other frequencies, because. the piezoceramic resonators used in them are structurally designed to operate at one fundamental frequency.

Из уровня техники известен пьезоэлектрический акселерометр (1) (Патент SU № 558220), содержащий основание, инерционный груз и пьезопреобразователи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, его основание выполнено в виде набора дисков, соединенных прокладками по опорным поверхностям и образующих монолитный пакет; инерционный груз выполнен в виде нескольких отдельных элементов, расположенных на дисках основания; пьезопреобразователи выполнены в виде отдельных элементов, расположенных между дисками основания и элементами инерционного груза, причем оси поляризации преобразователей направлены в одну сторону, а элементы груза электрически соединены между собой.Known from the prior art is a piezoelectric accelerometer (1) (SU Patent No. 558220) containing a base, an inertial weight and piezoelectric transducers, characterized in that, in order to increase accuracy and sensitivity, its base is made in the form of a set of disks connected by gaskets along the supporting surfaces and forming a monolithic package; the inertial load is made in the form of several separate elements located on the base disks; the piezoelectric transducers are made in the form of separate elements located between the base disks and the elements of the inertial load, and the polarization axes of the transducers are directed in one direction, and the elements of the load are electrically connected to each other.

Недостатками пьезоэлектрического акселерометра являются: необходимость в наличии дополнительной механической компенсационной схемы, что заметно увеличивает массу акселерометра и усложняет конструкцию, использование пьезокерамики, что ограничивает частотно-временной интервал детектируемых воздействий и усложняет корректную обработку сигнала при слабых воздействиях.The disadvantages of the piezoelectric accelerometer are: the need for an additional mechanical compensation circuit, which significantly increases the mass of the accelerometer and complicates the design, the use of piezoceramics, which limits the frequency-time interval of the detected effects and complicates the correct signal processing for weak effects.

Также из уровня техники известен акустический датчик (2) (Патент RU 2498525), содержащий пьезоэлектрическую подложку, общий электрод, расположенный на одной стороне пьезоэлектрической подложки, набор первых электродных структур, расположенных на противоположной стороне пьезоэлектрической подложки относительно общего электрода, причем каждая первая электродная структура расположена радиально относительно условной центральной точки и содержит набор электродных элементов, расположенных по окружностям, при этом указанные первые электродные структуры расположены с возможностью выбора одной или более групп электродных элементов из заданной первой электродной структуры, с тем, чтобы настроить указанную первую электродную структуру на заранее определенный частотный диапазон, при этом каждая указанная первая электродная структура размещена в заранее определенном радиальном направлении относительно указанной условной центральной точки, так чтобы настроить каждую указанную первую электродную структуру на сигналы, имеющие соответствующую направленность. В качестве активного элемента могут использоваться пьезокерамики или электроактивные полимерные материалы. Датчик предназначен для работы на частотах от 20 кГц до 20 МГц.Also known from the prior art is an acoustic sensor (2) (Patent RU 2498525) containing a piezoelectric substrate, a common electrode located on one side of the piezoelectric substrate, a set of first electrode structures located on the opposite side of the piezoelectric substrate relative to the common electrode, each first electrode structure is located radially relative to the conventional central point and contains a set of electrode elements arranged in circles, while said first electrode structures are arranged with the possibility of selecting one or more groups of electrode elements from a given first electrode structure in order to adjust said first electrode structure to a predetermined frequency range, wherein each said first electrode structure is placed in a predetermined radial direction relative to said conventional center point so as to tune each said first electrode jet to signals that have the appropriate directivity. Piezoceramics or electroactive polymeric materials can be used as an active element. The sensor is designed to operate at frequencies from 20 kHz to 20 MHz.

Недостатками акустического датчика являются: сложная архитектура, что усложняет настройку и калибровку датчика, делает его дорогостоящим; использование эффекта поверхностных акустических волн в основе принципа работы, что ограничивает частотный интервал работы не менее 20 кГц и делает датчик неприменимым для низкочастотных вибраций и высоких времен импульса, полезных в составе систем безопасности, сейсмологии и предупреждения проникновения.The disadvantages of the acoustic sensor are: complex architecture, which complicates the configuration and calibration of the sensor, makes it expensive; using the effect of surface acoustic waves as the basis of the principle of operation, which limits the frequency interval of operation to at least 20 kHz and makes the sensor unsuitable for low frequency vibrations and high pulse times useful in security, seismology and intrusion prevention systems.

Наиболее близким по технической сущности устройству (прототипом) является пьезоэлектрический датчик (3) (Патент RU 2262157), содержащий чувствительный элемент из тонкопленочного пьезоэлектрического материала с электродами на противоположных поверхностях, вектор поляризации которого перпендикулярен электродам, и плоскопараллельные токовыводы, разделенные между собой диэлектрическим слоем и электрически соединенные с электродами, отличающийся тем, что чувствительный элемент размещен внутри симметричной полосковой линии, проводники которой служат токовыводами датчика, при этом электроды чувствительного элемента параллельны проводникам этой линии, дополнительно введен по крайней мере один акустический волновод, расположенный вплотную к поверхности чувствительного элемента с электродом. Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении разрешающей способности датчика приблизительно на порядок величины, а также увеличении отношения сигнал/шум.The closest in technical essence to the device (prototype) is a piezoelectric sensor (3) (Patent RU 2262157) containing a sensitive element made of thin-film piezoelectric material with electrodes on opposite surfaces, the polarization vector of which is perpendicular to the electrodes, and plane-parallel current leads separated from each other by a dielectric layer and electrically connected to the electrodes, characterized in that the sensing element is placed inside a symmetrical strip line, the conductors of which serve as current leads of the sensor, while the electrodes of the sensing element are parallel to the conductors of this line, at least one acoustic waveguide is additionally inserted, located close to the surface of the sensing element with the electrode . The technical result achieved in the implementation of the proposed invention is to increase the resolution of the sensor by approximately an order of magnitude, as well as increase the signal-to-noise ratio.

Недостатком пьезоэлектрического датчика является отсутствие возможности настройки на узкий интервал времен воздействия (зашумленность сигнала при многократных случайных взаимонакладывающихся разночастотных воздействиях), отсутствие экранирования внешних электромагнитных помех, широкополосность (сложность обработки сигнала).The disadvantage of the piezoelectric sensor is the inability to adjust to a narrow interval of exposure times (signal noise with multiple random overlapping different-frequency effects), lack of shielding of external electromagnetic interference, broadband (signal processing complexity).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании датчика низкоамплитудных апериодических вибраций на основе пленочного чувствительного элемента, позволяющего детектировать низкочастотные случайные и единичные колебания различной длительности в предварительно заданном и перенастраиваемом интервале частот.The task to be solved by the claimed invention is to create a low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element that allows detecting low-frequency random and single oscillations of various durations in a predetermined and tunable frequency interval.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, состоит в значительном снижении потерь на отражение сигнала, подавлении вторичных резонансов и шумов в области низких частот и повышение чувствительности на 1-2 порядка по сравнению с безусилительными схемами реализации датчиков вибрации.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention consists in a significant reduction in signal reflection losses, suppression of secondary resonances and noise in the low frequency region and an increase in sensitivity by 1-2 orders of magnitude compared to non-amplifying schemes for implementing vibration sensors.

Технический результат достигается за счет того, что чувствительный элемент (104) датчика изготавливается по схеме на фиг. 2 и представляет собой электроактивную полимерную пленку (203) с нанесенными контактами на обе поверхности. Предпочтительно пленка представляет собой поляризованный пьезоэлектрик на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) и его сополимеров с серебряными контактами или контактами на основе иных металлов, графита, графена, графена и серебра, например контактами, нанесенными по известному способу (6) (Патент RU 2662535), однако предпочтительным способом реализации изобретения является нанесение серебряных контактов методами магнетронного напыления, термического испарения, печати. Также поляризованный пьезоэлектрик может представлять собой композиционный пьезоматериал.The technical result is achieved due to the fact that the sensitive element (104) of the sensor is manufactured according to the scheme in Fig. 2 and is an electroactive polymer film (203) with applied contacts on both surfaces. Preferably, the film is a polarized piezoelectric based on polyvinylidene fluoride (PVDF) and its copolymers with silver contacts or contacts based on other metals, graphite, graphene, graphene and silver, for example, contacts deposited according to a known method (6) (Patent RU 2662535), however the preferred method of implementing the invention is the deposition of silver contacts by magnetron sputtering, thermal evaporation, printing. Also, a polarized piezoelectric material can be a composite piezoelectric material.

Также технический результат достигается за счет того, что в предпочтительном варианте исполнения изобретения в качестве электроактивной полимерной пленки (203) используется поляризованный пьезоэлектрик на основе ПВДФ или пленочный пьезокомпозит, т.е. материалы, отличающиеся отсутствием собственных резонансов на низких частотах, в отличие от пьезокерамик, что приводит к отсутствию необходимости применения компенсационных схем. Также это позволяет использовать датчик на различных частотах без необходимости замены электроактивной полимерной пленки (203).Also, the technical result is achieved due to the fact that in the preferred embodiment of the invention, a polarized piezoelectric based on PVDF or a film piezocomposite is used as an electroactive polymer film (203), i.e. materials that are characterized by the absence of their own resonances at low frequencies, unlike piezoceramics, which leads to the absence of the need to use compensation circuits. It also allows the transducer to be used at different frequencies without the need to change the electroactive polymer film (203).

Очевидно, что сутью применения поляризованного пьезоэлектрика является преобразование энергии механических колебаний в электрический сигнал. Таким образом, поляризованный пьезоэлектрик может быть заменен на тензорезистивный пленочный гибкий материал при незначительном пересмотре общей конструкции.Obviously, the essence of the use of a polarized piezoelectric is the conversion of the energy of mechanical vibrations into an electrical signal. Thus, a polarized piezoelectric material can be replaced by a piezoresistive film flexible material with a slight revision of the overall design.

Также технический результат достигается за счет того, что электроактивная полимерная пленка (203) через изолирующие слои (204) изолируется от окружающей среды и закрепляется на жестко закрепленной в опоре (201) упругой консоли (202), предпочтительно выполненной из бериллиевой бронзы, с грузом (205). Жестко закрепленная в опоре консоль (202) обеспечивает гармонический линейный режим колебания электроактивной полимерной пленки (203), а система консоль (202) - груз (205) задают момент инерции колебаний системы, соответствующий основному механическому резонансу. Таким образом, чувствительность системы резко повышается при близких значениях основной резонансной частоты активного элемента, определяемой геометрией и массой системы консоль (202) - груз (205), и частоты внешних вынужденных колебаний, что позволяет использовать датчик в узком интервале частот.Also, the technical result is achieved due to the fact that the electroactive polymer film (203) is isolated from the environment through insulating layers (204) and fixed on an elastic console (202) rigidly fixed in the support (201), preferably made of beryllium bronze, with a load ( 205). The console (202) rigidly fixed in the support provides a harmonic linear oscillation mode of the electroactive polymer film (203), and the console (202) - load (205) system sets the moment of inertia of the system oscillations corresponding to the main mechanical resonance. Thus, the sensitivity of the system increases sharply at close values of the main resonant frequency of the active element, determined by the geometry and mass of the console (202) - load (205) system, and the frequency of external forced oscillations, which allows the sensor to be used in a narrow frequency range.

Дополнительный технический результат достигается за счет того, что масса основного деформируемого элемента - электроактивной полимерной пленки (203), гораздо меньше массы и инерции задающей частотный режим колебаний системы консоль (202) - груз (205), что позволяет практически исключить шумы, связанные с изменением инерционности колебательного движения системы в процессе работы датчика.An additional technical result is achieved due to the fact that the mass of the main deformable element - an electroactive polymer film (203), is much less than the mass and inertia that sets the frequency mode of oscillations of the console (202) - load (205) system, which makes it possible to virtually eliminate the noise associated with the change inertia of the oscillatory motion of the system during the operation of the sensor.

Очевидно, что сутью исполнения упругой консоли (202) предпочтительно из бериллиевой бронзы является упругий характер деформации этого сплава в широком интервале нагрузок и амплитуд колебаний, а также низкая усталостная текучесть. Очевидно, изобретение может быть реализовано с использованием жесткой консоли из иного металла, сплава, полимерного или композиционного материала.Obviously, the essence of the execution of the elastic console (202), preferably from beryllium bronze, is the elastic nature of the deformation of this alloy in a wide range of loads and vibration amplitudes, as well as low fatigue yield. Obviously, the invention can be implemented using a rigid console made of another metal, alloy, polymer or composite material.

Также очевидно, что опора (201) может быть реализована любым технически применимым способом (пайка, сварка, жесткое механическое защемление, винтовое соединение и др.) без изменения сущности изобретения, если она обеспечивает малое перемещение защемленного конца консоли (202) по сравнению со свободным (на котором установлен груз (205)).It is also obvious that the support (201) can be implemented by any technically applicable method (soldering, welding, rigid mechanical pinching, screw connection, etc.) without changing the essence of the invention, if it provides a small movement of the pinched end of the console (202) compared to the free (on which weight (205) is mounted).

Также очевидно, что изолирующие слои (204) могут быть изготовлены из любого материала (предпочтительно, эластомера силикона, полиуретана, цианакрилата и др.) без изменения сущности настоящего изобретения в том случае, если они не вносят заметных поправок в инерционность системы консоль-груз, а также обеспечивают свободную деформацию электроактивной полимерной пленки (203), а также способны без растрескивания и иных необратимых явлений многократно деформироваться в пределах изгиба консоли.It is also obvious that the insulating layers (204) can be made of any material (preferably silicone elastomer, polyurethane, cyanoacrylate, etc.) without changing the essence of the present invention, if they do not introduce noticeable amendments to the inertia of the cantilever-weight system, and also provide free deformation of the electroactive polymer film (203), and are also capable of repeatedly deforming within the bending of the console without cracking and other irreversible phenomena.

Также очевидно, что груз (205) может быть изготовлен и закреплен на консоли (202) любым подходящим способом без изменения сущности настоящего изобретения в том случае, если момент инерции системы консоль-груз не изменяется в процессе эксплуатации датчика. Предпочтительным, однако, является винтовое крепление груза, позволяющее переместить его и изменить основную рабочую частоту датчика.It is also obvious that the load (205) can be manufactured and fixed to the console (202) in any suitable way without changing the essence of the present invention, if the moment of inertia of the console-weight system does not change during the operation of the sensor. Preferably, however, the weight is screwed to allow it to be moved and the main operating frequency of the transducer to be changed.

Кроме того технический результат достигается за счет того, что электроактивная полимерная пленка (203) через электрические выводы (200), предпочтительно представляющие собой многожильные медные провода в химически стойкой изоляции, присоединены к усилителю (103), предпочтительно представляющему собой операционный усилитель (см. фиг. 3), относящийся к наиболее низкозатратным и компактным типам усилителей, присоединенный через коннектор (102) (стандартный разъем RS232 в предпочтительном варианте реализации изобретения) к источнику питания (101) постоянного напряжения, предпочтительно с ручным или автоматическим выключателем для повышения энергоэффективности и ресурса службы датчика в автономном режиме. Также усилитель (103) присоединяется к устройству отображения сигнала (100) в виде цифрового или аналогового осциллографа, предпочтительно с системой хранения записанного сигнала. Конструкция устройства отображения (100) частью датчика не является.In addition, the technical result is achieved due to the fact that the electroactive polymer film (203) is connected through electrical leads (200), preferably stranded copper wires in chemically resistant insulation, to an amplifier (103), preferably an operational amplifier (see Fig. . 3), which belongs to the most low-cost and compact types of amplifiers, connected through a connector (102) (standard RS232 connector in the preferred embodiment of the invention) to a DC power supply (101), preferably with a manual or automatic switch to increase energy efficiency and service life offline sensor. Also, the amplifier (103) is connected to a signal display device (100) in the form of a digital or analog oscilloscope, preferably with a recorded signal storage system. The design of the display device (100) is not part of the sensor.

Очевидно, что конструкция и материалы выводов (203), усилителя (103), коннектора (102), источника питания (101) постоянного напряжения могут быть заменены на иные без изменения сущности изобретения, в предпочтительном варианте реализации изобретения описаны наиболее надежные низкозатратные компоненты датчика.Obviously, the design and materials of the terminals (203), amplifier (103), connector (102), DC power supply (101) can be replaced with others without changing the essence of the invention, in the preferred embodiment of the invention, the most reliable low-cost sensor components are described.

Также технический результат достигается за счет того, что чувствительный элемент датчика (104) и усилитель (103) помещены в экранирующий корпус (105), предпочтительно изготовленный из алюминия или его сплавов, обеспечивающий одновременно механическую защиту чувствительного элемента датчика (104) и усилителя (103) и экранирование электронных помех, чем достигается возможность использования датчика в условиях подземного размещения, высоких электромагнитных помех, городских условиях.Also, the technical result is achieved due to the fact that the sensitive element of the sensor (104) and the amplifier (103) are placed in a shielding case (105), preferably made of aluminum or its alloys, which simultaneously provides mechanical protection of the sensitive element of the sensor (104) and the amplifier (103). ) and shielding of electronic interference, which makes it possible to use the sensor in conditions of underground placement, high electromagnetic interference, and urban conditions.

Очевидно, что корпус (105) может также быть изготовлен из иных металлов (сталь, медь и др.) или электропроводящих композиционных материалов, а также диэлектрических пластмасс или композиционных материалов при условии нанесения проводящего экранирующего слоя на внутреннюю поверхность корпуса и обеспечения им одновременно механической прочности и экранирования электромагнитных волн, что не изменяет сущности настоящего изобретения.Obviously, the housing (105) can also be made of other metals (steel, copper, etc.) or electrically conductive composite materials, as well as dielectric plastics or composite materials, provided that a conductive shielding layer is applied to the inner surface of the housing and at the same time provides them with mechanical strength and shielding of electromagnetic waves, which does not change the essence of the present invention.

Таким образом, датчик низкоамплитудных апериодических вибраций на основе пленочного чувствительного элемента при простоте конструкции обеспечивает возможность настройки на предпочтительную основную частоту, максимальное подавление нецелевых сигналов, стойкость к внешним механическим и электромагнитным факторам, автономность работы, работу в условиях широкого спектра длительностей импульсного воздействия.Thus, the low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element, with a simple design, provides the ability to tune to the preferred fundamental frequency, maximum suppression of non-target signals, resistance to external mechanical and electromagnetic factors, autonomy of operation, operation under a wide range of pulse durations.

Предпочтительный вариант реализации изобретения:Preferred embodiment of the invention:

На фиг. 1 приведена общая схема устройства датчика. Чувствительный элемент датчика (104), настроенный на необходимую основную частоту, например, 1,5-2 Гц, что соответствует шагу/бегу человека и используется в системах безопасности, присоединен электрическими выводами (проводами с использованием пайки) к усилителю (103), предпочтительно операционного типа (см. фиг. 2а), с выводами на коннектор (102) (например, типа RS232, см. фиг. 3б). Усилитель и чувствительный элемент помещены в экранирующий и защитный корпус (105), предпочтительно изготовленный из алюминия и покрытый снаружи защитной краской/эмалью. К коннектору (102) через параллельный кабель присоединяется источник питания усилителя (101), предпочтительно представляющий собой аккумулятор, обеспечивающий постоянное напряжение в интервале 3,7-4,5 В, помещенный в пластиковый корпус с контактами и оснащенный выключателем. Второй конец кабеля оканчивается разъемом, например, стандартным BNC-01 или BNC-02 разъемом для присоединения подходящего устройства отображения (100), предпочтительно с возможностью отображения и записи временных изменений напряжения (осциллограмм).In FIG. 1 shows a general diagram of the sensor device. The sensitive element of the sensor (104), tuned to the required fundamental frequency, for example, 1.5-2 Hz, which corresponds to the step/run of a person and is used in security systems, is connected by electrical leads (wires using soldering) to the amplifier (103), preferably operational type (see Fig. 2a), with leads to the connector (102) (for example, RS232 type, see Fig. 3b). The amplifier and sensing element are housed in a shielding and protective housing (105), preferably made of aluminum and coated on the outside with a protective paint/enamel. The amplifier power supply (101) is connected to the connector (102) via a parallel cable, preferably a battery providing a constant voltage in the range of 3.7-4.5 V, placed in a plastic case with contacts and equipped with a switch. The second end of the cable is terminated with a connector, for example a standard BNC-01 or BNC-02 connector for connecting a suitable display device (100), preferably with the ability to display and record voltage transients (oscillograms).

На фиг. 2 приведена подробная схема чувствительного элемента (104). Электроактивная полимерная пленка (203), предпочтительно поляризованная пьезоэлектрическая пленка на основе ПВДФ с нанесенными с обеих сторон серебряными электродами, предпочтительно длиной от 20 до 80% длины консоли (202), через изолирующие слои (204), преимущественно на основе цианакрилатного клея или цианакрилатного клея (нижний) и силикона (верхний) изолируется от окружающей среды и закрепляется на жестко зафиксированной в опоре (201) упругой консоли (202), предпочтительно выполненной из бериллиевой бронзы марки БрБ2, с грузом (206), предпочтительно в виде шайб с суммарным весом, сопоставимым или превосходящим массу консоли, однако не вызывающим деформации консоли в отсутствие внешних возбуждающих колебаний. Груз предпочтительно закрепляется на консоли винтом для обеспечения возможности последующего изменения массы груза и его перемещения по длине консоли. Опора (201) предпочтительно представляет собой внутренний выступ на корпусе (105) с возможности жесткой фиксации одного из концов (левый на фиг. 2) консоли (202) для предотвращения его перемещений и установления режима колебаний консоли (202) под действием внешних возбуждающих колебаний как простых изгибных колебаний защемленной с одного конца балки. К нанесенным электродам электроактивной полимерной пленки (203) методами пайки или склеивания проводящим клеем присоединяются с противоположных сторон выводящие провода (200). В зависимости от конкретной конструкции усилителя (103), выводящие провода (200) либо оба присоединяются к усилителю (например, для усилителя по фиг. 2), либо 1 из проводов присоединяется к усилителю, а второй - к корпусу датчика (105).In FIG. 2 shows a detailed diagram of the sensing element (104). Electroactive polymer film (203), preferably polarized piezoelectric film based on PVDF with silver electrodes deposited on both sides, preferably 20 to 80% of the length of the arm (202), through insulating layers (204), preferably based on cyanoacrylate adhesive or cyanoacrylate adhesive (lower) and silicone (upper) is isolated from the environment and fixed on an elastic console (202) rigidly fixed in the support (201), preferably made of beryllium bronze of the BrB2 brand, with a load (206), preferably in the form of washers with a total weight, comparable to or greater than the mass of the console, but not causing deformation of the console in the absence of external exciting vibrations. The load is preferably fixed to the console with a screw to enable the mass of the load to subsequently change and move along the length of the console. The support (201) is preferably an internal protrusion on the body (105) with the possibility of rigid fixation of one of the ends (left in Fig. 2) of the console (202) to prevent its movement and establish the oscillation mode of the console (202) under the action of external exciting vibrations as simple bending vibrations of a beam clamped at one end. Output wires (200) are connected from opposite sides to the applied electrodes of the electroactive polymer film (203) by soldering or gluing with conductive glue. Depending on the specific design of the amplifier (103), the output wires (200) are either both connected to the amplifier (for example, for the amplifier in Fig. 2), or 1 of the wires is connected to the amplifier, and the second to the sensor housing (105).

Источник питания (101) и устройство отображения (100) могут быть отнесены на любое расстояние от корпуса (105), в т.ч. передача сигнала на устройство отображения (100) может осуществляться по беспроводному каналу.The power source (101) and the display device (100) can be placed at any distance from the housing (105), incl. signal transmission to the display device (100) can be carried out via a wireless channel.

Работа пьезоэлектрического датчика осуществляется следующим образом.The operation of the piezoelectric sensor is carried out as follows.

Выбирается примерное значение целевой основной частоты, для которой требуется максимальная чувствительность датчика, предпочтительно в интервале частот 0,1 Гц - 200 Гц или длительности импульса при однократных и случайных воздействиях, предпочтительно 0,005-10 сек. Проводится расчет основного резонанса системы консоль (202) - груз (205), выбирается длина консоли (202) и масса груза. После сборки датчика резонанс проверяют по усилению сигнала датчика на 1-2 порядка при подключенном внешнем генераторе механических колебаний, настроенном на целевую основную частоту. При наличии необходимости в корректировке механической системы (основной частоты или длительности импульса, на которой работает датчик) проводят перемещение груза (206) или уменьшение длины консоли (202) от точки опоры (например, путем сдвигания консоли в выступ во внутренней части корпуса (105).An approximate value of the target fundamental frequency is selected, for which the maximum sensitivity of the sensor is required, preferably in the frequency range of 0.1 Hz - 200 Hz or pulse duration with single and random exposures, preferably 0.005-10 sec. The calculation of the main resonance of the console (202) - load (205) system is carried out, the length of the console (202) and the mass of the load are selected. After assembling the sensor, the resonance is checked by amplifying the signal of the sensor by 1-2 orders of magnitude with an external generator of mechanical oscillations connected and tuned to the target fundamental frequency. If there is a need to adjust the mechanical system (basic frequency or pulse duration on which the sensor operates), the load (206) is moved or the length of the console (202) is reduced from the fulcrum (for example, by sliding the console into a ledge in the inner part of the housing (105) .

Корпус датчика может быть установлен в горизонтальном положении на уровне земли, заглублен в землю, жестко закреплен на стенах и опорах зданий или размещен иным необходимым образом с предпочтительным условием жесткой фиксации корпуса относительно колеблющейся системы для повышения чувствительности датчика и снижения паразитных сигналов.The sensor housing can be installed in a horizontal position at ground level, buried in the ground, rigidly fixed to the walls and supports of buildings, or placed in any other necessary way with the preferred condition of rigid fixation of the housing relative to the oscillating system in order to increase the sensitivity of the sensor and reduce spurious signals.

Перед началом работы датчика источник питания (101) постоянного напряжения должен быть включен (должна осуществляться подача электрического питания на усилитель (103)).Before the sensor starts to work, the DC power supply (101) must be turned on (electrical power must be supplied to the amplifier (103)).

При возникновении внешних возбуждающих механических колебаний чувствительный элемент (104) совершает вынужденные изгибные колебания, при этом закрепленная на консоли (202) электроактивная полимерная пленка (203) под действием изгибной деформации осуществляет пропорциональное преобразование механической энергии колебаний в осциллирующий электрический сигнал. При приближении внешней возбуждающей частоты (или эквивалентной длительности импульса) к частоте основного резонанса, на который рассчитан чувствительный элемент (104), происходит многократное возрастание деформации консоли (202) и соответствующее кратное (1-2 порядка) возрастание электрического сигнала с электроактивной полимерной пленки (203), передаваемого выводящими проводами (200) на усилитель (103), усиливается еще на 1-2 порядка, и передается на устройство отображения (100) для фиксации, индикации и, при необходимости, записи сигнала.When external exciting mechanical vibrations occur, the sensitive element (104) performs forced bending vibrations, while the electroactive polymer film (203) fixed on the console (202) under the action of bending deformation performs a proportional transformation of the mechanical vibration energy into an oscillating electrical signal. When the external excitation frequency (or equivalent pulse duration) approaches the frequency of the main resonance, for which the sensitive element (104) is designed, there is a multiple increase in the deformation of the console (202) and a corresponding multiple (1-2 orders) increase in the electrical signal from the electroactive polymer film ( 203), transmitted by the output wires (200) to the amplifier (103), is amplified by another 1-2 orders of magnitude, and transmitted to the display device (100) for fixing, indicating and, if necessary, recording the signal.

Отклик датчика в интервале частот 1-10 Гц и величине амплитуды внешнего механического воздействия не менее 5 мкм составляет 150-1500 мВ, что значительно (на 1-2 порядка) превышает величины отклика датчиков и акселерометров, известных из уровня техники.The response of the sensor in the frequency range of 1-10 Hz and the amplitude of the external mechanical action of at least 5 μm is 150-1500 mV, which significantly (by 1-2 orders of magnitude) exceeds the response of sensors and accelerometers known from the prior art.

Источники информацииSources of information

1. Авт. свидетельство SU 558220 A1. Дата приоритета 26.12.1975 г. G01P 15/08.1. Auth. certificate SU 558220 A1. Priority date 12/26/1975 G01P 15/08.

2. Патент RU 2498525 С2. Дата приоритета 26.11.2008 г. H04R 17/00.2. Patent RU 2498525 C2. Priority date 11/26/2008 H04R 17/00.

3. Патент RU 2262157 С1. Дата приоритета 31.03.2004 г. H01L 41/113.3. Patent RU 2262157 C1. Priority date 03/31/2004 H01L 41/113.

4. Патент RU 2662535 С1. Дата приоритета 31.01.2017 г. В82В 3/0095.4. Patent RU 2662535 C1. Priority date 01/31/2017 B82B 3/0095.

Claims

1. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element, containing an external power supply, a signal amplifier and a sensitive element based on an electroactive polymer film, characterized in that the signal amplifier and the sensitive element are placed in a tightly closed shielding housing, while the sensitive element has On both sides, the electrodes, to which the output wires are connected, are fixed through an insulating layer on a flexible console with a load rigidly clamped at one end.

2. Sensor of low-amplitude aperiodic vibrations based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the main operating frequency of the sensor can be changed by changing the moment of inertia of the console-load system.

3. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that a polarized piezoelectric film based on PVDF with electrical contacts deposited over the entire area is used as an electroactive polymer film.

4. Sensor of low-amplitude aperiodic vibrations based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the power source and the display device are removed from the shielding housing at a distance of 10 m or more.

5. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the shielding body contains an internal protrusion to enable fixing the console and changing its length.

6. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the shielding housing can be rigidly fixed to horizontal, vertical and inclined surfaces.

7. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the shielding housing can be made of metal, composite material, polymer material with an internal conductive coating.

8. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the amplifier can be equipped with a frequency filter to further reduce signal interference.

9. A low-amplitude aperiodic vibration sensor based on a film sensitive element according to claim 1, characterized in that the insulating layers on the surface of the electrodes of the electroactive polymer film can be made of silicone, cyanoacrylate, polyurethane or other flexible polymer, and the materials of the upper and lower insulating layers can do not match.