Главная


Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 21 ... 63 ... 105 ... 147 ... 189 ... 222
126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167


скачать книгу Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение




Исходя из этого принципа, возможны две конструкции двуслой­ных пьезопреобразователей (рис. 6.7). Соединив два слоя пьезокера-мики с противоположными направлениями поляризации, получим последовательный преобразователь. Приложение напряжения к элек­тродам пластины вызывает ее изгиб, поскольку один из слоев сокра­щается, а другой удлиняется. Например, так работает устройство F на рис. 6.6. При параллельной конфигурации два слоя имеют одина­ковое направление поляризации, и между ними следует ввести тре­тий электрод, что позволяет подавать на слои напряжение противо­положного знака. В результате, пластины деформируются в противоположных направлениях, и двуслойная система изгибается (устройство G на рис. 6.6). В последовательных преобразователях один из слоев возбуждается электрическим полем в направлении, проти­воположном поляризации, что в конечном счете приводит к их депо­ляризации. При параллельной конфигурации пластин для преодоле­ния этого недостатка можно прикладывать различное напряжение (как в устройстве Е на рис. 6.6).
...
Рис. 6.7. Пьезоэлектрические двуслойные преобразователи: (а) - после­довательный двуслойный преобразователь; (Ь) - параллельный двуслойный преобразователь; (с) - параллельный двуслойный преобразователь с различными управляющими напряжениями.
...
Исходя из этого принципа, возможны две конструкции двуслой­ных пьезопреобразователей (рис. 6.7). Соединив два слоя пьезокера-мики с противоположными направлениями поляризации, получим последовательный преобразователь. Приложение напряжения к элек­тродам пластины вызывает ее изгиб, поскольку один из слоев сокра­щается, а другой удлиняется. Например, так работает устройство F на рис. 6.6. При параллельной конфигурации два слоя имеют одина­ковое направление поляризации, и между ними следует ввести тре­тий электрод, что позволяет подавать на слои напряжение противо­положного знака. В результате, пластины деформируются в противоположных направлениях, и двуслойная система изгибается (устройство G на рис. 6.6). В последовательных преобразователях один из слоев возбуждается электрическим полем в направлении, проти­воположном поляризации, что в конечном счете приводит к их депо­ляризации. При параллельной конфигурации пластин для преодоле­ния этого недостатка можно прикладывать различное напряжение (как в устройстве Е на рис. 6.6).
...
Рис. 6.7. Пьезоэлектрические двуслойные преобразователи: (а) - после­довательный двуслойный преобразователь; (Ь) - параллельный двуслойный преобразователь; (с) - параллельный двуслойный преобразователь с различными управляющими напряжениями.
...
Исходя из этого принципа, возможны две конструкции двуслой­ных пьезопреобразователей (рис. 6.7). Соединив два слоя пьезокера-мики с противоположными направлениями поляризации, получим последовательный преобразователь. Приложение напряжения к элек­тродам пластины вызывает ее изгиб, поскольку один из слоев сокра­щается, а другой удлиняется. Например, так работает устройство F на рис. 6.6. При параллельной конфигурации два слоя имеют одина­ковое направление поляризации, и между ними следует ввести тре­тий электрод, что позволяет подавать на слои напряжение противо­положного знака. В результате, пластины деформируются в противоположных направлениях, и двуслойная система изгибается (устройство G на рис. 6.6). В последовательных преобразователях один из слоев возбуждается электрическим полем в направлении, проти­воположном поляризации, что в конечном счете приводит к их депо­ляризации. При параллельной конфигурации пластин для преодоле­ния этого недостатка можно прикладывать различное напряжение (как в устройстве Е на рис. 6.6).
...
Похожие рабочие характеристики присущи и одиночным преоб­разователям, в которых один из активных слоев заменен металличес­кой пластиной. Такая конфигурация обычно используется в электро­магнитных гудках и эхолотах. Одно из таких устройств (Н) изображено на рис. 6.6.
...
Многослойные преобразователи изготавливают путем химическо­го восстановления одной из поверхностей керамической пластины с высоким содержанием свинца. Поскольку процесс восстановления обычно проводят при повышенной температуре, при охлаждении пластина приобретает изогнутую форму. Восстановленная поверхность пьезоэлектрически неактивна, что ограничивает величину изгиба при подаче напряжения на невосстановленную активную часть пласти­ны. Поэтому такие преобразователи в чем-то подобны однослойным преобразователям. Их преимущество состоит в том, что электрод из­готовляется из той же пластины, что и активная часть, что снимает проблему обеспечения адгезионной связи между ней и электродом.
...
Действие преобразователя обусловлено появлением несимметрии и смещением активной части пластины к одной из ее поверхностей. Ра­диальное сжатие/удлинение активного слоя под действием электричес­кого поля приводит к изгибу пластины.
...
Преобразователи градиентного типа способны создавать большие смещения и развивают более высокую действующую силу, чем одно­слойные или двуслойные преобразователи. Их преимуществом являет­ся также то, что в целях увеличения суммарного смещения их можно собрать в последовательно соединенный пакет. Хертлинг [1] сообщает о достижении смещения в 1 мм и развитии силы в 100 Н при толщине пластин толщиной 0,2 мм (рис. 6.8).
...
Похожие рабочие характеристики присущи и одиночным преоб­разователям, в которых один из активных слоев заменен металличес­кой пластиной. Такая конфигурация обычно используется в электро­магнитных гудках и эхолотах. Одно из таких устройств (Н) изображено на рис. 6.6.
...
Многослойные преобразователи изготавливают путем химическо­го восстановления одной из поверхностей керамической пластины с высоким содержанием свинца. Поскольку процесс восстановления обычно проводят при повышенной температуре, при охлаждении пластина приобретает изогнутую форму. Восстановленная поверхность пьезоэлектрически неактивна, что ограничивает величину изгиба при подаче напряжения на невосстановленную активную часть пласти­ны. Поэтому такие преобразователи в чем-то подобны однослойным преобразователям. Их преимущество состоит в том, что электрод из­готовляется из той же пластины, что и активная часть, что снимает проблему обеспечения адгезионной связи между ней и электродом.
...
Действие преобразователя обусловлено появлением несимметрии и смещением активной части пластины к одной из ее поверхностей. Ра­диальное сжатие/удлинение активного слоя под действием электричес­кого поля приводит к изгибу пластины.
...
Преобразователи градиентного типа способны создавать большие смещения и развивают более высокую действующую силу, чем одно­слойные или двуслойные преобразователи. Их преимуществом являет­ся также то, что в целях увеличения суммарного смещения их можно собрать в последовательно соединенный пакет. Хертлинг [1] сообщает о достижении смещения в 1 мм и развитии силы в 100 Н при толщине пластин толщиной 0,2 мм (рис. 6.8).
...
Преимуществом монокристаллических пьезоэлектрических приборов яв­ляется возможность наиболее полного использования сложного характе­ра электромеханического взаимодействия. Соответствующей обрезкой пье­зоэлектрического кристалла под действием электрического поля можно получить растяжение, изгиб или кручение. Этим способом было создано множество преобразователей для микропозиционирования. Недостатком таких преобразователей является небольшая величина смещения. Гораз­до большее смещение достигается на устройствах из твердых пьезокера-мик. Например, существует держатель для образцов, имеющий вид кера­мической трубки, продольно разрезанной на четыре части, с электродами на каждом квадранте. Пропуская ток через нужные электроды, при по­мощи такого устройства можно наклонять и перемещать образец.
...
Так как для достижения значительных смещений необходимы элек­трические поля порядка 1 МВ/м, пьезоэлектрические устройства нуж­даются в источниках высокого напряжения. В преобразователях с по­ступательным движением эту проблему обычно решают путем его деления на тонкие слои, в результате чего получают многослойные
...
Принцип действия, лежащий в основе преобразователя Moonie, впер­вые был применен в акустическом преобразователе океанографическо­го назначения, запатентованном в 1991 году и описанном в статье [2]. Основная идея состоит в наложении жестких металлических наконеч­ников на обе поверхности пьезоэлектрического диска, как показано на рис. 6.9, а.
...
где обе константы Кх и К2 положительны и зависят от геометрических размеров и свойств материалов диска и наконечников. Увеличение диаметра полости в центре захвата приводит к увеличению значения эффективной величины константы </33efT и уменьшению частоты резо­нанса [2].
...
Развивая данную идею, несколькими годами позже те же исследо­ватели разработали преобразователь Moonie, схематически изобра­женный на рис. 6.9, Ь [3]. Преобразователь Moonie изготавливается из керамических ТЦС-5А дисков с латунными накладками. Его диа­метр равен приблизительно 1 см, а толщина изменяется от 2 до 7 мм. Эффективное значение константы </33efT этого устройства достигает 3 х
...
Рис. 6.9. Преобразователи Moonie и Cymbal: (а) - акустический преобра­зователь Moonie; (b) - преобразователь Moonie; (с) - преобра­зователь Cymbal [6].
...
Развивая данную идею, несколькими годами позже те же исследо­ватели разработали преобразователь Moonie, схематически изобра­женный на рис. 6.9, Ь [3]. Преобразователь Moonie изготавливается из керамических ТЦС-5А дисков с латунными накладками. Его диа­метр равен приблизительно 1 см, а толщина изменяется от 2 до 7 мм. Эффективное значение константы </33efT этого устройства достигает 3 х
...
Рис. 6.9. Преобразователи Moonie и Cymbal: (а) - акустический преобра­зователь Moonie; (b) - преобразователь Moonie; (с) - преобра­зователь Cymbal [6].
...
шается энергия упругой деформации, запасаемая накладками [4]. Сле­дующее усовершенствование преобразователя Moonie было осуще­ствлено его изобретателями несколько лет спустя [5], в результате чего появился преобразователь Cymbal (рис. 6.9, с). Главными недо­статками предыдущей разработки были зависимость смещения от по­ложения точки контакта (накладки в деформированном состоянии не являются плоскими) и сложная технология производства из-за необходимости токарной обработки накладок для создания кольце­образного паза. Преобразователь Cymbal имеет штампованные на­кладки, которые в середине имеют плоскую форму, что упрощает процесс производства и создает более надежный контакт с поверхно­стью керамики. В то же время толщина накладки в области контакта уменьшена, что увеличивает гибкость и уменьшает механические потери. Преобразователь Cymbal имеет лучшие рабочие характерис­тики по сравнению с Moonie, и коэффициент d33cfT
...
В работе [1] описана программа оптимизации геометрической фор­мы преобразователя, сделанного из пьезоэлектрической керамики и некоторого неактивного материала, обычно металла. Оптимизация проводится для получения максимальной силы или смещения. Инте­ресно, что эта процедура была применена для оптимизации свойств преобразователя Moonie и была получена оптимизированная структу­ра, напоминающая преобразователь Cymbal.
...
Необходимость в высоком напряжении управляющего сигнала явля­ется серьезным недостатком пьезоэлектрических силовых преобра­зователей. Напряжение может быть уменьшено, если использовать ряд последовательно соединенных пьезоэлектрических слоев. В этом случае на несколько слоев тонкой пьезокерамики наносят индивиду­альные электроды, а затем их накладывают друг на друга, как показа­но на рис. 6.10. Полученная структура представляет собой последо­вательность керамических элементов. Соединение этих электродов через один позволяет создать параллельную электрическую цепь пье­зоэлектрических элементов, в то время как механически они разме­щены последовательно, и смещения суммируются. Преимущество этой схемы состоит в том, что величина электрического поля равна от­ношению разности потенциалов к толщине одного слоя, и при не­большой толщине слоя достигаются высокие величины электричес­кого поля.
...
шается энергия упругой деформации, запасаемая накладками [4]. Сле­дующее усовершенствование преобразователя Moonie было осуще­ствлено его изобретателями несколько лет спустя [5], в результате чего появился преобразователь Cymbal (рис. 6.9, с). Главными недо­статками предыдущей разработки были зависимость смещения от по­ложения точки контакта (накладки в деформированном состоянии не являются плоскими) и сложная технология производства из-за необходимости токарной обработки накладок для создания кольце­образного паза. Преобразователь Cymbal имеет штампованные на­кладки, которые в середине имеют плоскую форму, что упрощает процесс производства и создает более надежный контакт с поверхно­стью керамики. В то же время толщина накладки в области контакта уменьшена, что увеличивает гибкость и уменьшает механические потери. Преобразователь Cymbal имеет лучшие рабочие характерис­тики по сравнению с Moonie, и коэффициент d33cfT
...
В работе [1] описана программа оптимизации геометрической фор­мы преобразователя, сделанного из пьезоэлектрической керамики и некоторого неактивного материала, обычно металла. Оптимизация проводится для получения максимальной силы или смещения. Инте­ресно, что эта процедура была применена для оптимизации свойств преобразователя Moonie и была получена оптимизированная структу­ра, напоминающая преобразователь Cymbal.
...
Необходимость в высоком напряжении управляющего сигнала явля­ется серьезным недостатком пьезоэлектрических силовых преобра­зователей. Напряжение может быть уменьшено, если использовать ряд последовательно соединенных пьезоэлектрических слоев. В этом случае на несколько слоев тонкой пьезокерамики наносят индивиду­альные электроды, а затем их накладывают друг на друга, как показа­но на рис. 6.10. Полученная структура представляет собой последо­вательность керамических элементов. Соединение этих электродов через один позволяет создать параллельную электрическую цепь пье­зоэлектрических элементов, в то время как механически они разме­щены последовательно, и смещения суммируются. Преимущество этой схемы состоит в том, что величина электрического поля равна от­ношению разности потенциалов к толщине одного слоя, и при не­большой толщине слоя достигаются высокие величины электричес­кого поля.
...
Дальнейшее усовершенствование преобразователей состояло в раз­работке многослойных устройств, аналогичных конденсаторам. Пье­зоэлектрики укладывают тонкими слоями, на которые методом шаб­лонной печати наносят электроды. Затем слои накладывают один на другой и после обжига получают многослойный керамический преоб­разователь. Схема такой структуры изображена на рис. 6.11, а на рис. 6.6 (A-D) представлены фотографии таких устройств. Эта мето­дика снижает издержки производства и увеличивает надежность. Пос­ле обжига преобразователь поляризуют (как в многослойных, так и в последовательных структурах смежные слои имеют противоположную поляризацию).
...
Многослойные преобразователи развивают наибольшую величину дей­ствующей силы по сравнению с преобразователями других типов. По этой причине их используют в качестве механических устройств, со­здающих поступательное перемещение. Их недостатком является до­вольно низкое сопротивление сжатию, изгибу и кручению. Рабочие напряжения лежат в пределах от 60 до 150 В в зависимости от толщи­ны слоев и типа материала. Недавно были получены устройства с очень тонкими слоями пьезоэлектрика (толщиной 30 мкм). Это позволяет уменьшить величину управляющего напряжения, но при этом растет относительная доля неактивного материала электродов. Производство очень тонких слоев усложняет технологию, поскольку приходится бо­роться с пористостью материала; пустоты в подобной структуре могут вызывать растрескивание и образование электрической дуги.
...
Дальнейшее усовершенствование преобразователей состояло в раз­работке многослойных устройств, аналогичных конденсаторам. Пье­зоэлектрики укладывают тонкими слоями, на которые методом шаб­лонной печати наносят электроды. Затем слои накладывают один на другой и после обжига получают многослойный керамический преоб­разователь. Схема такой структуры изображена на рис. 6.11, а на рис. 6.6 (A-D) представлены фотографии таких устройств. Эта мето­дика снижает издержки производства и увеличивает надежность. Пос­ле обжига преобразователь поляризуют (как в многослойных, так и в последовательных структурах смежные слои имеют противоположную поляризацию).
...
Многослойные преобразователи развивают наибольшую величину дей­ствующей силы по сравнению с преобразователями других типов. По этой причине их используют в качестве механических устройств, со­здающих поступательное перемещение. Их недостатком является до­вольно низкое сопротивление сжатию, изгибу и кручению. Рабочие напряжения лежат в пределах от 60 до 150 В в зависимости от толщи­ны слоев и типа материала. Недавно были получены устройства с очень тонкими слоями пьезоэлектрика (толщиной 30 мкм). Это позволяет уменьшить величину управляющего напряжения, но при этом растет относительная доля неактивного материала электродов. Производство очень тонких слоев усложняет технологию, поскольку приходится бо­роться с пористостью материала; пустоты в подобной структуре могут вызывать растрескивание и образование электрической дуги.
...
Пусть максимальная действующая сила, которая появляется в мно­гослойном преобразователе при нулевом смещении кромки, равна F. Если длина преобразователя возрастает, величина этой силы линейно уменьшается до нуля при изменении его длины от / до максимального значения /.
...
Действующая сила пропорциональна поперечному сечению силово­го преобразователя, и поэтому ее лучше характеризовать максималь­ным сжимающим напряжением:
...
Фирмы-производители обычно не приводят динамических характерис­тик пьезоэлектрических преобразователей. Динамические характерис­тики можно исследовать, возбуждая пьезопреобразователь переменным напряжением и измеряя величину смещения в зависимости от времени. При проведении таких испытаний необходима осторожность, чтобы не перегрузить внутренние электроды и не вызвать высоких растягиваю­щих нагрузок. Простой метод испытаний состоит в использовании элек­тронной схемы с переменными сопротивлением и индуктивностью и электрическим управляющим сигналом.
...
Имеется несколько параметров силовых пьезопреобразователей, ко­торые влияют на их динамические характеристики. Одним из них яв­ляется резонансная частота, определяемая модулем упругости матери­ала и длиной преобразователя. Функциональные характеристики преобразователя зависят и от электрических параметров. Например, электрическая емкость пьезопреобразователя вместе с сопротивлени­ями электродов и внешней цепи определяют время, за которое напря­жение на электродах достигает номинального значения. Как отмеча­лось выше, резонансная частота преобразователя зависит от величины пьезоэлектрического эффекта и, следовательно, от соответствующих пьезоконстант.
...
Рисунок 6.12 демонстрирует реакцию двух различных преобразова­телей на скачок напряжения при одинаковых условиях испытаний. По­перечное сечение преобразователей равно 2 х
...
Рис. 6.12. Динамические характеристики двух пьезоэлектрических пре­образователей. Размеры преобразователей 2 х
...
Рис. 6.13. Результаты расчетов на основе модели и экспериментальные частотные характеристики свободных колебаний многослой­ного пьезоэлектрического преобразователя. Электрическая цепь разомкнута (а) и замкнута (Ь). Для наглядности амплитуды при высоких частотах колебаний увеличены.
...
Поведение силового пьезопреобразователя можно описать при по­мощи модели, связывающей механическое и электрическое поведение системы. Для описания различных гармоник колебаний такая модель должна учитывать распределение массы по объему преобразователя. От­метим, что резонансная частота пьезоэлектрика зависит от его электри­ческих характеристик.
...
Экспериментально колебания можно возбудить механически или при помощи импульса напряжения. На рис. 6.13 показана частотная харак­теристика механически возбуждаемого многослойного пьезоэлектрика при отсутствии механического стеснения. Резонансные частоты зави­сят от параметров электрической цепи.
...
Рисунок 6.13 иллюстрирует свободные колебания многослойного пре­образователя. Некоторые области многослойной структуры могут коле­баться в противофазе. Рисунок 6.14 демонстрирует, что при первой гар­монике колебаний деформация всего объема преобразователя имеет один
...
Рис. 6.13. Результаты расчетов на основе модели и экспериментальные частотные характеристики свободных колебаний многослой­ного пьезоэлектрического преобразователя. Электрическая цепь разомкнута (а) и замкнута (Ь). Для наглядности амплитуды при высоких частотах колебаний увеличены.
...
Поведение силового пьезопреобразователя можно описать при по­мощи модели, связывающей механическое и электрическое поведение системы. Для описания различных гармоник колебаний такая модель должна учитывать распределение массы по объему преобразователя. От­метим, что резонансная частота пьезоэлектрика зависит от его электри­ческих характеристик.
...
Экспериментально колебания можно возбудить механически или при помощи импульса напряжения. На рис. 6.13 показана частотная харак­теристика механически возбуждаемого многослойного пьезоэлектрика при отсутствии механического стеснения. Резонансные частоты зави­сят от параметров электрической цепи.
...
Рисунок 6.13 иллюстрирует свободные колебания многослойного пре­образователя. Некоторые области многослойной структуры могут коле­баться в противофазе. Рисунок 6.14 демонстрирует, что при первой гар­монике колебаний деформация всего объема преобразователя имеет один
...
Рис. 6.13. Результаты расчетов на основе модели и экспериментальные частотные характеристики свободных колебаний многослой­ного пьезоэлектрического преобразователя. Электрическая цепь разомкнута (а) и замкнута (Ь). Для наглядности амплитуды при высоких частотах колебаний увеличены.
...
Поведение силового пьезопреобразователя можно описать при по­мощи модели, связывающей механическое и электрическое поведение системы. Для описания различных гармоник колебаний такая модель должна учитывать распределение массы по объему преобразователя. От­метим, что резонансная частота пьезоэлектрика зависит от его электри­ческих характеристик.
...
Рис. 6.14. Первые три гармоники колебаний многослойного преобразо­вателя. Графики показывают деформацию в зависимости от координаты внутри преобразователя. Схематически показан знак деформации растяжения/сжатия.
...
и тот же знак (сжатие или растяжение). Напротив, при второй гармони­ке одна половина преобразователя растянута, а другая сжата. Это озна­чает, что смещения в одной части положительные, а в другой - отрица­тельные. Эти смещения компенсируют друг друга. Полная взаимная компенсация смещений происходит только для четных гармоник, а для нечетных уменьшается величина смещения по мере возрастания их но­мера, поскольку уменьшается доля нескомпенсированного материала.
...
Главными преимуществами многослойных пьезоэлектрических преобра­зователей являются исключительно высокая скорость, большая действу­ющая сила, высокая плотность энергии и точность действия. Это связано с физической природой явления, т.е. с тем, что преобразование электри­ческой энергии в механическую происходит вследствие растяжения кри­сталлической решетки. Естественно, что эта деформация ограничена и на практике возможны лишь незначительные смещения. Относительная деформация обычно не превышает 0,1%, а удлинение при обычной дли­не преобразователя имеет порядок десятков микрон. Это является серь­езным недостатком, поскольку часто требуются гораздо большие смеще­ния. Кроме того, при этом требуется малая величина механических допусков. По этой причине исследования концентрировались как на раз­работке новых материалов с улучшенными рабочими характеристиками, так и на проектировании вспомогательных устройств, позволяющих мак­симально использовать существующие материалы. Увеличение смеще­ния пьезопреобразователя может быть достигнуто различными способа­ми. В зависимости от принципа усиления такие устройства можно разделить на три группы. В механических усилителях используются глав­ным образом рычаги и шарниры; «интегрирующие» усилители суммиру­ют смещения отдельных элементов. Наконец, усилители ударного типа
...
Рис. 6.14. Первые три гармоники колебаний многослойного преобразо­вателя. Графики показывают деформацию в зависимости от координаты внутри преобразователя. Схематически показан знак деформации растяжения/сжатия.
...
и тот же знак (сжатие или растяжение). Напротив, при второй гармони­ке одна половина преобразователя растянута, а другая сжата. Это озна­чает, что смещения в одной части положительные, а в другой - отрица­тельные. Эти смещения компенсируют друг друга. Полная взаимная компенсация смещений происходит только для четных гармоник, а для нечетных уменьшается величина смещения по мере возрастания их но­мера, поскольку уменьшается доля нескомпенсированного материала.
...
Главными преимуществами многослойных пьезоэлектрических преобра­зователей являются исключительно высокая скорость, большая действу­ющая сила, высокая плотность энергии и точность действия. Это связано с физической природой явления, т.е. с тем, что преобразование электри­ческой энергии в механическую происходит вследствие растяжения кри­сталлической решетки. Естественно, что эта деформация ограничена и на практике возможны лишь незначительные смещения. Относительная деформация обычно не превышает 0,1%, а удлинение при обычной дли­не преобразователя имеет порядок десятков микрон. Это является серь­езным недостатком, поскольку часто требуются гораздо большие смеще­ния. Кроме того, при этом требуется малая величина механических допусков. По этой причине исследования концентрировались как на раз­работке новых материалов с улучшенными рабочими характеристиками, так и на проектировании вспомогательных устройств, позволяющих мак­симально использовать существующие материалы. Увеличение смеще­ния пьезопреобразователя может быть достигнуто различными способа­ми. В зависимости от принципа усиления такие устройства можно разделить на три группы. В механических усилителях используются глав­ным образом рычаги и шарниры; «интегрирующие» усилители суммиру­ют смещения отдельных элементов. Наконец, усилители ударного типа
...
Рис. 6.14. Первые три гармоники колебаний многослойного преобразо­вателя. Графики показывают деформацию в зависимости от координаты внутри преобразователя. Схематически показан знак деформации растяжения/сжатия.
...
и тот же знак (сжатие или растяжение). Напротив, при второй гармони­ке одна половина преобразователя растянута, а другая сжата. Это озна­чает, что смещения в одной части положительные, а в другой - отрица­тельные. Эти смещения компенсируют друг друга. Полная взаимная компенсация смещений происходит только для четных гармоник, а для нечетных уменьшается величина смещения по мере возрастания их но­мера, поскольку уменьшается доля нескомпенсированного материала.
...
используют быструю реакцию многослойного преобразователя для при­дания кинетической энергии снаряду, который может преодолеть боль­шие расстояния. Иногда эти принципы действия комбинируются для преодоления недостатков, свойственных каждому из этих методов.
...
К этому классу отнесены устройства, в которых «статическое» увеличе­ние смещения пьезоэлектрического элемента достигается посредством использования механических устройств различной сложности. Усиле­ние носит статический характер в том смысле, что все части конструк­ции находятся в постоянном контакте друг с другом.
...
Механические усилители, в свою очередь, можно разделить на два типа. В простейших усилителях используется принцип рычага, так что движение пьезоэлектрического элемента (с большим развиваемым уси­лием и малым смещением) передается на выход устройства с меньшей силой, но большим смещением. Второй метод усиления смещения ос­нован на изгибе тонкой балки.
...
Некоторые из этих механических усилителей имеют оси вращения, вокруг которых поворачиваются их элементы. Из-за малых величин сме­щения недопустимо наличие люфта, и поэтому вместо обычных под­шипников используют изгибающиеся элементы [7], что обеспечивает решение проблем трения, но повышает риск усталостного разрушения.
...
используют быструю реакцию многослойного преобразователя для при­дания кинетической энергии снаряду, который может преодолеть боль­шие расстояния. Иногда эти принципы действия комбинируются для преодоления недостатков, свойственных каждому из этих методов.
...
К этому классу отнесены устройства, в которых «статическое» увеличе­ние смещения пьезоэлектрического элемента достигается посредством использования механических устройств различной сложности. Усиле­ние носит статический характер в том смысле, что все части конструк­ции находятся в постоянном контакте друг с другом.
...
Механические усилители, в свою очередь, можно разделить на два типа. В простейших усилителях используется принцип рычага, так что движение пьезоэлектрического элемента (с большим развиваемым уси­лием и малым смещением) передается на выход устройства с меньшей силой, но большим смещением. Второй метод усиления смещения ос­нован на изгибе тонкой балки.
...
при помощи двухступенчатого усиливающего рычага, сделанного из легких материалов. Эффективность простых рычажных усилителей вы­сока, поскольку для них необходимы всего два шарнира, однако вели­чина смещения обычно является нелинейной, что может быть нежела­тельно в прецизионных устройствах.
...
Для увеличения смещения используются также изгиб балки под дей­ствием сжимающей силы, которую создает одно или несколько пьезо­электрических устройств, как показано на рис. 6.15, Ь. Средняя часть бал­ки движется перпендикулярно перемещению приводящего пьезопреобра-зователя. На этом принципе можно построить самые различные устрой­ства. В самом простом варианте такого усилителя используется гибкий шарнир, соединяющий два стержня. В других преобразователях шарниры отсутствуют, и происходит упругий изгиб эллиптической оболочки. Гео­метрические параметры оболочки и, в частности, ее эксцентриситет могут быть подобраны в соответствии с предъявляемыми требованиями.
...
Методика усиления, которая позволяет получить «неограниченное» вы­ходное смещение, состоит в суммировании множества малых смеще­ний. Ниже кратко обсуждаются конструкции такого типа, а именно шаговый двигатель и инерционный ползун, а также ультразвуковой двига­тель бегущей волны, в которых используется динамическая интеграция непрерывного движения.
...
при помощи двухступенчатого усиливающего рычага, сделанного из легких материалов. Эффективность простых рычажных усилителей вы­сока, поскольку для них необходимы всего два шарнира, однако вели­чина смещения обычно является нелинейной, что может быть нежела­тельно в прецизионных устройствах.
...
Для увеличения смещения используются также изгиб балки под дей­ствием сжимающей силы, которую создает одно или несколько пьезо­электрических устройств, как показано на рис. 6.15, Ь. Средняя часть бал­ки движется перпендикулярно перемещению приводящего пьезопреобра-зователя. На этом принципе можно построить самые различные устрой­ства. В самом простом варианте такого усилителя используется гибкий шарнир, соединяющий два стержня. В других преобразователях шарниры отсутствуют, и происходит упругий изгиб эллиптической оболочки. Гео­метрические параметры оболочки и, в частности, ее эксцентриситет могут быть подобраны в соответствии с предъявляемыми требованиями.
...
Принцип работы шагового двигателя показан на рис. 6.16. Активны­ми компонентами в нем являются три связанных пьезоэлектрических преобразователя. Средний (PZ2) деформируется в продольном направ­лении, в то время как два npyrax(PZl и PZ3) поочередно зажимают и отпускают вал, по которому перемещается ползун. Когда преобразова­тель PZ1 зажимает стержень (в это время он неподвижен), PZ2 растяги­вается и толкает PZ3 (который свободен). На этой стадии вал не двига­ется (стадия 1). После этого PZ1 ослабляет захват, a PZ3 зажимает вал, после чего PZ2 сжимается и тянет PZ3 вместе с тягой по направлению к PZ1 (стадия 2). Когда совершается много таких шагов, создается очень плавное движение и развивается высокая действующая сила (около ЮН). Одновременно такое устройство имеет очень высокую разреша­ющую способность (порядка нанометров). Его недостатками являются малая скорость движения (порядка 10~3 м/с) и необходимость малых допусков при изготовлении двигателя.
...
Инерционный шаговый ползун основан на чрезвычайно малом вре­мени реагирования пьезоэлектрических преобразователей. Пилообраз­ное напряжение прикладывается к пьезоэлектрическим элементам, на которые опирается массивная платформа (рис. 6.17). Во время линей­ного роста напряжения силы трения хватает для того, чтобы платформа двигалась направо (от а
...
Принцип работы шагового двигателя показан на рис. 6.16. Активны­ми компонентами в нем являются три связанных пьезоэлектрических преобразователя. Средний (PZ2) деформируется в продольном направ­лении, в то время как два npyrax(PZl и PZ3) поочередно зажимают и отпускают вал, по которому перемещается ползун. Когда преобразова­тель PZ1 зажимает стержень (в это время он неподвижен), PZ2 растяги­вается и толкает PZ3 (который свободен). На этой стадии вал не двига­ется (стадия 1). После этого PZ1 ослабляет захват, a PZ3 зажимает вал, после чего PZ2 сжимается и тянет PZ3 вместе с тягой по направлению к PZ1 (стадия 2). Когда совершается много таких шагов, создается очень плавное движение и развивается высокая действующая сила (около ЮН). Одновременно такое устройство имеет очень высокую разреша­ющую способность (порядка нанометров). Его недостатками являются малая скорость движения (порядка 10~3 м/с) и необходимость малых допусков при изготовлении двигателя.
...
Инерционный шаговый ползун основан на чрезвычайно малом вре­мени реагирования пьезоэлектрических преобразователей. Пилообраз­ное напряжение прикладывается к пьезоэлектрическим элементам, на которые опирается массивная платформа (рис. 6.17). Во время линей­ного роста напряжения силы трения хватает для того, чтобы платформа двигалась направо (от а
...
скорость движения платформы в этом случае равна примерно 10~4 м/с при перемещении на несколько сантиметров и длине шага порядка де­сятков нанометров. При тщательном контроле управляющего напряже­ния на стадии линейного роста разрешающая способность такого уст­ройства может достигнуть долей нанометра. Его недостатком является малая величина действующей силы (десятки миллиньютонов). Этот прин­цип широко использовали для микропозиционирования в микроскопах (например, просвечивающих). Отметим, что импульс может иметь не только треугольную, но и более сложную форму [9].
...
В ультразвуковых двигателях бегущей волны в тонкой упругой пла­стине создаются две стоячие волны, имеющие сдвиг фаз так, чтобы при их наложении точки поверхности двигались по эллиптической траектории. Если на поверхность поместить предмет, он будет переме­щаться. На этом принципе были созданы двигатели, с круговым и линейным движением. Такие двигатели создают высокий вращающий момент даже на низких скоростях и имеют нулевую потребляемую мощность в стационарном состоянии. Кроме того, их преимуществом является то, что на них не действуют электромагнитные помехи.
...
Очевидно, главным преимуществом интегрирующих устройств яв­ляется фактически неограниченная величина смещения. Недостаток таких систем состоит в малой скорости и величине создаваемой силы.
...
Основной принцип работы импульсного преобразователя состоит в пе­редаче кинетической энергии от пьезоэлектрического элемента к неко­торому снаряду. Из-за высокого быстродействия пьезоэлектрического преобразователя передача импульса носит характер удара. Следует за­метить, что после получения импульса снаряд находится в «свободном полете», двигаясь независимо от пьезоэлемента. Вследствие этого в пре­образователях ударного типа невозможно активно управлять смещени­ем выхода. До некоторой степени можно контролировать только перво­начальную скорость. С другой стороны, расстояние перемещения снаряда может быть достаточно большим.
...
Чанг с соавторами разработали и запатентовали привод ударного типа для точечных принтеров [10]. Пьезоэлектрический элемент зажимается в середине Е-образной рамы и удерживается в сжатом состоянии, чтобы избежать появления растягивающих нагрузок (рис. 6.18). Благодаря вы­сокому быстродействию пьезоэлектрический преобразователь создает удар­ную волну, которая распространяется по центральной балке и затем фо­кусируется коническим волноводом, после чего передается на молоточек. Получив импульс, молоточек вместе с прикрепленной к нему печатаю­щей проволокой наносит удар по листу бумаги. После столкновения пе­чатающей нити с бумагой молоточек возвращается в первоначальное по­ложение. Возврат молоточка осуществляется пластинчатой пружиной,
...
скорость движения платформы в этом случае равна примерно 10~4 м/с при перемещении на несколько сантиметров и длине шага порядка де­сятков нанометров. При тщательном контроле управляющего напряже­ния на стадии линейного роста разрешающая способность такого уст­ройства может достигнуть долей нанометра. Его недостатком является малая величина действующей силы (десятки миллиньютонов). Этот прин­цип широко использовали для микропозиционирования в микроскопах (например, просвечивающих). Отметим, что импульс может иметь не только треугольную, но и более сложную форму [9].
...
В ультразвуковых двигателях бегущей волны в тонкой упругой пла­стине создаются две стоячие волны, имеющие сдвиг фаз так, чтобы при их наложении точки поверхности двигались по эллиптической траектории. Если на поверхность поместить предмет, он будет переме­щаться. На этом принципе были созданы двигатели, с круговым и линейным движением. Такие двигатели создают высокий вращающий момент даже на низких скоростях и имеют нулевую потребляемую мощность в стационарном состоянии. Кроме того, их преимуществом является то, что на них не действуют электромагнитные помехи.
...
Очевидно, главным преимуществом интегрирующих устройств яв­ляется фактически неограниченная величина смещения. Недостаток таких систем состоит в малой скорости и величине создаваемой силы.
...
Основной принцип работы импульсного преобразователя состоит в пе­редаче кинетической энергии от пьезоэлектрического элемента к неко­торому снаряду. Из-за высокого быстродействия пьезоэлектрического преобразователя передача импульса носит характер удара. Следует за­метить, что после получения импульса снаряд находится в «свободном полете», двигаясь независимо от пьезоэлемента. Вследствие этого в пре­образователях ударного типа невозможно активно управлять смещени­ем выхода. До некоторой степени можно контролировать только перво­начальную скорость. С другой стороны, расстояние перемещения снаряда может быть достаточно большим.
...
Чанг с соавторами разработали и запатентовали привод ударного типа для точечных принтеров [10]. Пьезоэлектрический элемент зажимается в середине Е-образной рамы и удерживается в сжатом состоянии, чтобы избежать появления растягивающих нагрузок (рис. 6.18). Благодаря вы­сокому быстродействию пьезоэлектрический преобразователь создает удар­ную волну, которая распространяется по центральной балке и затем фо­кусируется коническим волноводом, после чего передается на молоточек. Получив импульс, молоточек вместе с прикрепленной к нему печатаю­щей проволокой наносит удар по листу бумаги. После столкновения пе­чатающей нити с бумагой молоточек возвращается в первоначальное по­ложение. Возврат молоточка осуществляется пластинчатой пружиной,
...
которая также обеспечивает контакт молоточка и волновода в промежут­ке между очередными рабочими циклами. Сообщается о смещениях дли­ной до 0,38 мм с начальными скоростями, превышающими 2,5 м/с [10]. Следует отметить, что в настоящее время применение устройств, осно­ванных на ударном воздействии, в основном ограничивается данной областью. Одной из причин ограниченного интереса к усилителям этого типа является невозможность контроля за процессом их действия, что ограничивает их использование системами «дискретного» действия.
...
Пьезоэлектрики, обычно диоксид кремния, используются для созда­ния резонаторов, обладающих высокой стабильностью частоты коле­баний. Их применяют в самых различных устройствах, от кварцевых часов до радиопередатчиков и радиоприемников. В настоящее время крупные кристаллы кварца выращивают искусственно при повышен­ных температурах, что гарантирует большой объем производства и более высокое качество по сравнению с естественными кристаллами.
...
Интеллектуальные материалы способны «чувствовать» и реагировать на внешнее воздействие (например, электрическое или магнитное). По этой причине их все шире и шире применяют в промышленности и военной технике. Всемирный сбыт интеллектуальных материалов уже сейчас превышает 1 млрд долларов в год.
...
Выбор интеллектуального материала зависит от характера поведе­ния, которое требуется от него в зависимости от условий эксплуатации. В этой главе описываются свойства и применения нового поколения магнитострикционных материалов.
...
Магнитострикционные и пьезоэлектрические материалы создают механическое перемещение под действием магнитного и электричес­кого поля соответственно. Из обоих материалов делают активные пре­образователи. В последнее время появились магнитострикционные ма­териалы на основе редкоземельных элементов, магнитострикция в которых является очень сильной. Магнитострикционные материалы последнего поколения представляют собой интерметаллические соеди­нения, содержащие железо, тербий и диспрозий. Их потенциал начи­нает постепенно реализовываться в различных изделиях, например сонарах, активных клапанах и системах активного контроля колеба­ний конструкций [1, 2].
...
Один из лучших новых магнитострикционных материалов известен под промышленной маркой Терфенол-Д, основным компонентом ко­торого является Dy07Tb03Fe195. Этот материал способен развивать маг-нитострикционную деформацию до 0,14%. Он появился в результате исследования магнитного поведения редкоземельного элемента тербия (ТЬ), деформация которого при температуре ниже 200 К достигает 1%. Легирование тербия железом (Fe) позволило поднять рабочую темпера­туру до комнатной, а введение диспрозия (Dy) - снизить величину маг­нитного поля [3]. В течение многих лет значительные усилия были по­трачены на разработку этих материалов в форме аморфных лент, проволок и тонких пленок. Поведение такого материала определяется физической природой явления магнитострикции.
...
Интеллектуальные материалы способны «чувствовать» и реагировать на внешнее воздействие (например, электрическое или магнитное). По этой причине их все шире и шире применяют в промышленности и военной технике. Всемирный сбыт интеллектуальных материалов уже сейчас превышает 1 млрд долларов в год.
...
Выбор интеллектуального материала зависит от характера поведе­ния, которое требуется от него в зависимости от условий эксплуатации. В этой главе описываются свойства и применения нового поколения магнитострикционных материалов.
...
Эффект магнитострикции, называемый также эффектом Джоуля, со­стоит в изменении размеров при намагничивании или изменении маг­нитного состояния [4]. Различают линейный и объемный магнитострик-ционный эффекты. Линейный эффект состоит в изменении длины образца из ферромагнитного материала под действием магнитного поля, а объемный - в изменении его объема. Поскольку изменение объема обычно невелико, под магнитострикцией, как правило, понимают имен­но линейную магнитострикцию.
...
Магнитострикционное поведение часто путают с механострикцион-ным. Их различие заключается в том, что механострикционное поведе­ние является более общим и включает изменение не только длины, но и модуля упругости. Оба эффекта обусловлены связью упругой и маг­нитной энергии.
...
Магнитострикция состоит в самопроизвольном деформировании атомной решетки ферромагнитного материала под действием магнит­ного поля вследствие снижения при этом общей энергии, равной сумме энергий упругого деформирования и энергии магнитного поля.
...
анизотропией магнитных свойств. Однако в последнее время эти мате­риалы оказались в тени более мощных пьезоэлектриков и магнитострик­ционных компаундов. Их примером является титанат циркониевокис-лого свинца (ТЦС) (табл. 7.1).
...
В этот период появились и другие магнитострикционные материа­лы, например керамические ферромагнетики на основе кобальта. Их достоинствами являются повышенная деформация и высокое электри­ческое сопротивление, приближающееся к диэлектрикам, а недостатка­ми - большая анизотропия магнитных свойств и низкая механическая прочность.
...
ничивания является обратным. Поскольку направление приложения на­грузки изменяет направления «легкого» и «тяжелого» намагничивания, в выражение магнитной энергии ввели дополнительное слагаемое, ко­торое для поликристаллического материала имеет вид:
...
В механострикционном материале при изменении магнитного поля изменяется длина образца (или жесткость), и наоборот. Материалы, ис­пользуемые в качестве магнитомеханических преобразователей и дат­чиков, характеризуют коэффициентом магнитомеханической связи к.
...
Редкоземельные интерметаллические материалы
...
годах была предпринята попытка разработать материалы с сильной магни-тострикцией при комнатной температуре. Для этого редкоземельные эле­менты (R) объединили с магнитными элементами и компаундами, сохра­няющими ферромагнитные свойства при комнатной температуре.
...
В сплавах группы R-Zn самую большую магнитострикционную посто­янную по направлению легкого намагничивания имеют монокристаллы DyZn, и поэтому данный материал очень перспективен для применения при низких температурах (<77 К). В отличие от большинства интерметал­лических соединений на основе редкоземельных элементов, материалы группы R-Fe2 при высоком содержании железа имеет высокие температу­ры перехода (намного выше комнатной). Как следствие, при комнатной температуре они демонстрируют сильное магнитострикционное поведе­ние. Их недостатком является большая анизотропия свойств. Магнитные свойства сплавов группы R-Fe2 представлены в табл. 7.2.
...
Согласно данным табл. 7.2, при комнатной температуре самую высо­кую магнитострикционную постоянную имеет TbFe2. К сожалению, он имеет очень сильную анизотропию магнитных свойств, характеризуемую коэффициентом к4
...
Таблица 7.2. Магнитострикционные постоянные в направлении легкого намагничивания \ при напряженности магнитного поля 2 МА/м и коэффициенты анизотропии кА для некоторых по­ликристаллических компаундов на основе редкоземельных элементов [7, 15]
...
зотропия которых оказывается очень малой. ТЬ и Dy представляют со­бой практически идеальную пару редкоземельных элементов, что по­зволило создать трехкомпонентный сплав Tb0 27Dy0 73Fe2. Этот сплав стал известен под торговой маркой Терфенол-Д.
...
Поведение магнитострикционных материалов определяется величи­ной магнитного поля, механической нагрузкой и температурой. Терфе­нол-Д имеет поликристаллическую структуру с преимущественной ори­ентацией зерен. Зонной плавкой сплава Tb, Dy и Fe выращивают зерна, ориентированные преимущественно вдоль кристаллографической оси [l 12]. Монокристаллы в промышленных объемах получить пока не уда­ется. В материалах с осью легкой поляризации [111] и положительным магнистрикционным эффектом в результате ориентации зерен поведе­ние зависит не только от величины поля, но и от проекции механичес­кого напряжения на направление роста зерен [16].
...
Рисунок 7.1 демонстрирует зависимость величины появляющейся в Терфеноле-Д деформации от величины напряженности магнитного поля при различных значениях сжимающего усилия. Под действием магнит­ного поля материал растягивается в направлении поля (А,паралл). Величи­на Я зависит от величины предварительного сжимающего напряжения. Поскольку в Терфеноле-Д магнитострикционный эффект является по­ложительным, сжатие приводит к более резкой зависимости развивае­мой деформации от величины магнитного поля. Этот рисунок демонст­рирует, как сжимающее усилие изменяет деформационную характеристику (кривую «А,-Н»). Как следствие, при наличии внешнего сжатия материал работает весьма эффективно при небольших гистере-зисных потерях. При высоких сжимающих усилиях величина
...
Рис. 7.1. Типичные зависимости магнитострикционной деформации Терфенола-Д от напряженности магнитного поля при раз­личных механических нагрузках.
...
зотропия которых оказывается очень малой. ТЬ и Dy представляют со­бой практически идеальную пару редкоземельных элементов, что по­зволило создать трехкомпонентный сплав Tb0 27Dy0 73Fe2. Этот сплав стал известен под торговой маркой Терфенол-Д.
...
Поведение магнитострикционных материалов определяется величи­ной магнитного поля, механической нагрузкой и температурой. Терфе­нол-Д имеет поликристаллическую структуру с преимущественной ори­ентацией зерен. Зонной плавкой сплава Tb, Dy и Fe выращивают зерна, ориентированные преимущественно вдоль кристаллографической оси [l 12]. Монокристаллы в промышленных объемах получить пока не уда­ется. В материалах с осью легкой поляризации [111] и положительным магнистрикционным эффектом в результате ориентации зерен поведе­ние зависит не только от величины поля, но и от проекции механичес­кого напряжения на направление роста зерен [16].
...
Рисунок 7.1 демонстрирует зависимость величины появляющейся в Терфеноле-Д деформации от величины напряженности магнитного поля при различных значениях сжимающего усилия. Под действием магнит­ного поля материал растягивается в направлении поля (А,паралл). Величи­на Я зависит от величины предварительного сжимающего напряжения. Поскольку в Терфеноле-Д магнитострикционный эффект является по­ложительным, сжатие приводит к более резкой зависимости развивае­мой деформации от величины магнитного поля. Этот рисунок демонст­рирует, как сжимающее усилие изменяет деформационную характеристику (кривую «А,-Н»). Как следствие, при наличии внешнего сжатия материал работает весьма эффективно при небольших гистере-зисных потерях. При высоких сжимающих усилиях величина
...
Редкоземельные интерметаллические материалы
...
рует рис. 7.2. Отметим также, что магнитоупругие свойства зависят от условий эксплуатации и технологии получения материала [17-19].
...
При применении магнитострикционных материалов нужно учиты­вать потери энергии, связанные с нелинейной зависимостью дефор­мации от напряжения и их гистерезисным поведением (рис. 7.1). Для получения оптимальных рабочих характеристик необходимо регули­ровать и величину магнитного поля, и предварительную нагрузку. Оп­тимальные магнитострикционные постоянные (к
...
Для современных магнитострикционных материалов верхний пре­дел прочности при одноосном сжатии равен -350 МПа, но прочность увеличили вдвое после добавления к Терфенолу-Д алюминия, что ил­люстрируется табл. 7.3 [20]. По своей природе магнитострикционные устройства идеально подходят для работы при предельно низких часто­тах. Верхнюю рабочую частоту определяют токи Фуко (потери). Вели­чину потерь можно снизить, используя Терфенол-Д в виде многослой­ных пластин, и теоретически он способен действовать до частоты
...
Редкоземельные интерметаллические материалы
...
ствием магнитного поля, после приложения поля деформирование мате­риала перестает описываться законом Гука. Это явление называют АЕ-эффектом [24]. При приложении больших магнитных полей модуль Юнга достигает верхнего предела. Рисунок 7.5 демонстрирует зависимости сме­щения от величины создаваемой механической силы для двух приводов одинакового размера, сделанных из Терфенола-Д и многослойного ТЦС [25]. В случае Терфенола-Д и смещение, и создаваемая сила заметно выше, чем в случае ТЦС. Производимые в настоящее время приводы позволя­ют получить смещение до 100 мкм под нагрузкой величиной 1800 Н.
...
В 1996 году Пиджапати с соавторами [25, 26] обнаружили, что после 106 циклов одноосного нагружения амплитудой 1000 МПа при средней нагрузке 120 МПа, направленной вдоль оси выращивания образца, маг-нитострикционная постоянная йъъ
...
ствием магнитного поля, после приложения поля деформирование мате­риала перестает описываться законом Гука. Это явление называют АЕ-эффектом [24]. При приложении больших магнитных полей модуль Юнга достигает верхнего предела. Рисунок 7.5 демонстрирует зависимости сме­щения от величины создаваемой механической силы для двух приводов одинакового размера, сделанных из Терфенола-Д и многослойного ТЦС [25]. В случае Терфенола-Д и смещение, и создаваемая сила заметно выше, чем в случае ТЦС. Производимые в настоящее время приводы позволя­ют получить смещение до 100 мкм под нагрузкой величиной 1800 Н.
...
В 1996 году Пиджапати с соавторами [25, 26] обнаружили, что после 106 циклов одноосного нагружения амплитудой 1000 МПа при средней нагрузке 120 МПа, направленной вдоль оси выращивания образца, маг-нитострикционная постоянная йъъ
...
Рис. 7.5. Зависимость смещения от величины создаваемой силы для преобра­зователей на основе ТЦС и Терфенола-Д одинакового размера [24].
...
Терфенол-Д является наиболее мощным материалом, развивающим высокую деформацию и силу в широком диапазоне рабочих частот при быстродействии порядка микросекунды. В настоящее время магнито-стрикционные материалы занимают приблизительно 10% рынка актив­ных материалов. Свойства магнитострикционных приводов в последние годы были значительно улучшены благодаря появлению материалов на основе редкоземельных элементов. Потенциал этих материалов можно использовать в различных приложениях.
...
Рабочие характеристики Терфенола-Д должны соответствовать требовани­ям, предъявляемым к устройствам, в которых его планируют применять. Как указывалось выше, проблемы могут быть связаны с гистерезисным по­ведением этого материала, особенно при высоких статических и динами­ческих нагрузках. В идеале, устройство нужно конструировать так, чтобы он создавал максимальную деформацию при минимальном потреблении элек­троэнергии. Для этого необходимо создавать постоянное магнитное поле, смещающее рабочую точку. Смещение позволяет работать в области линей­ной связи деформации и поля, а также получать максимальную величину постоянной d3y
...
Рис. 7.5. Зависимость смещения от величины создаваемой силы для преобра­зователей на основе ТЦС и Терфенола-Д одинакового размера [24].
...
Рис. 7.6. Диаграмма, иллюстрирующая смещение рабочей точки для дос­тижения оптимальных характеристик магнитострикционного материала.
...
Привод обычно состоит из активного стержня из Терфенола-Д, ус­тройства типа пружины, создающего смещающее механическое на­пряжение, постоянного магнита или катушки постояного тока, управ­ляющей катушки, системы охлаждения (если требуется), корпуса и контактов (рис. 7.7). Были разработаны и другие конструкции приво­дов, например «двухтактный» привод, использующий пару действую­щих в противоположном направлении симметрических стержней из Терфенола-Д [27]. Стоимость привода всегда имеет большое значе­ние, и необходимо учитывать, что Терфенол-Д является весьма доро­гим материалом. Хотя в настоящее время проводится работа, направ­ленная на упрощение технологии производства Терфенола-Д, рассчитывать на сильное снижение стоимости редкоземельных метал­лов не следует.
...
С учетом данных замечаний были разработаны приводы, увеличива­ющие эффективность сверления камня типа песчаника, известняка или гранита. Эти приводы получают смещение в несколько сотен микрон при развиваемой силе 12 кН (рис. 7.8 и 7.9) [29].
...
Было предпринято множество попыток создать двигатели, основан­ные на магнистрикционном эффекте. Достоинством таких двигателей является компактность, точность и мощность активного элемента. На уровне разработки имеется уже несколько таких моторов. По сравне-
...
Рис. 7.6. Диаграмма, иллюстрирующая смещение рабочей точки для дос­тижения оптимальных характеристик магнитострикционного материала.
...
Привод обычно состоит из активного стержня из Терфенола-Д, ус­тройства типа пружины, создающего смещающее механическое на­пряжение, постоянного магнита или катушки постояного тока, управ­ляющей катушки, системы охлаждения (если требуется), корпуса и контактов (рис. 7.7). Были разработаны и другие конструкции приво­дов, например «двухтактный» привод, использующий пару действую­щих в противоположном направлении симметрических стержней из Терфенола-Д [27]. Стоимость привода всегда имеет большое значе­ние, и необходимо учитывать, что Терфенол-Д является весьма доро­гим материалом. Хотя в настоящее время проводится работа, направ­ленная на упрощение технологии производства Терфенола-Д, рассчитывать на сильное снижение стоимости редкоземельных метал­лов не следует.
...
С учетом данных замечаний были разработаны приводы, увеличива­ющие эффективность сверления камня типа песчаника, известняка или гранита. Эти приводы получают смещение в несколько сотен микрон при развиваемой силе 12 кН (рис. 7.8 и 7.9) [29].
...
нию с электромагнитными сервомоторами эти двигатели имеют два глав­ных преимущества — меньший люфт и увеличенный вращающий мо­мент благодаря наличию редуктора, а также отсутствие автоблокиров­ки, отключающей источник питания.
...
Первый тип двигателя называют линейным или двигателем Киссеветте-ра [30]. Он состоит из трех основных частей. Статор (1 на рис. 7.10) является жесткой цилиндрической трубой из нержавеющей стали. Вторым элемен­том является вал из Терфенола-Д (2), который вставляется в статор и поме­щается в магнитное поле. Третьим элементом являются несколько магнит­ных катушек (3), которые создают магнитное поле на небольшой части
...
Рис. 7.8. Диаграммы смещение-сила, развиваемые при наличии пружи­ны с жесткостью к = 3 х 105 Н/м [29].
...
нию с электромагнитными сервомоторами эти двигатели имеют два глав­ных преимущества — меньший люфт и увеличенный вращающий мо­мент благодаря наличию редуктора, а также отсутствие автоблокиров­ки, отключающей источник питания.
...
Первый тип двигателя называют линейным или двигателем Киссеветте-ра [30]. Он состоит из трех основных частей. Статор (1 на рис. 7.10) является жесткой цилиндрической трубой из нержавеющей стали. Вторым элемен­том является вал из Терфенола-Д (2), который вставляется в статор и поме­щается в магнитное поле. Третьим элементом являются несколько магнит­ных катушек (3), которые создают магнитное поле на небольшой части
...
стержня. Ряд катушек поочередно «разжимает» и «зажимает» некоторую часть активного компонента, что приводит к поступательному движению актив­ного элемента. Такой двигатель развивает высокую силу, большую величину и высокую точность смещения. Их можно использовать в производстве, при измерении сил, в устройствах авиационного контроля и т.д.
...
Второй тип двигателя называют гибридным Терфенол-ТЦС двигате­лем. Он использует зажимающее устройство, многослойный ТЦС и ак­тивный привод из Терфенола-Д [31]. Его преимуществом является высо­кая рабочая частота, достигающая 300 Гц.
...
стержня. Ряд катушек поочередно «разжимает» и «зажимает» некоторую часть активного компонента, что приводит к поступательному движению актив­ного элемента. Такой двигатель развивает высокую силу, большую величину и высокую точность смещения. Их можно использовать в производстве, при измерении сил, в устройствах авиационного контроля и т.д.
...
Второй тип двигателя называют гибридным Терфенол-ТЦС двигате­лем. Он использует зажимающее устройство, многослойный ТЦС и ак­тивный привод из Терфенола-Д [31]. Его преимуществом является высо­кая рабочая частота, достигающая 300 Гц.
...
Третьим типом магнитострикционного мотора является прямой без-редукторный привод. Он был разработан для авиакосмической промыш­ленности, в которой требуются двигатели с высокой плотностью энер­гии и более высоким вращающим моментом при низких рабочих скоростях [12, 32].
...
В военной технике в излучателях акустических волн, например в сона­рах, все более активно используется Терфенол-Д. В традиционных из­лучателях используют пьезопреобразователи. На высоких частотах эти излучатели удовлетворяет большинству предъявлемых к ним требова­ниям. Однако для увеличения радиуса действия необходимо работать при более низких частотах, и в этом случае проблемой становится боль­шой размер пьезопреобразователя. Благодаря сильному магнитострик-ционному эффекту, большой плотности энергии и более низкому моду­лю Юнга Терфенол-Д является очень перспективным активным материалом. При тех же размерах пьезопреобразователя Терфенол-Д позволяет значительно увеличить мощность сигнала. Обычно такие из­лучатели функционируют в резонансных условиях [33, 34].
...
Магнитострикционные элементы можно использовать для активного дем­пфирования колебаний. При этом значительную роль играет способность контроля даже при гистерезисном поведении материала привода.
...
Третьим типом магнитострикционного мотора является прямой без-редукторный привод. Он был разработан для авиакосмической промыш­ленности, в которой требуются двигатели с высокой плотностью энер­гии и более высоким вращающим моментом при низких рабочих скоростях [12, 32].
...
В 1999 году Пратт с соавторами разработали нелинейный вибропог­лотитель из несмещенного Терфенола-Д [35], эффективно поглощаю­щий нелинейные колебания. Используя простоту, надежность, низкую массу, небольшое управляющее напряжение и нечувствительность к цен­тростремительному ускорению, из Терфенола-Д разработали демпфе­ры, эффективно снижающие вибрацию лопастей вертолета [36]. Маг-нитострикционная система контроля составляет менее 1 % общего веса вертолета и потребляет лишь 0,7% общей мощности. В продаже имеют­ся и другие системы демпфирования колебаний. Благодаря прекрасным характеристикам активатора и индивидуальному контролю лопастей уда­лось снизить амплитуду колебаний лопастей более чем на 90%.
...
В 1998 году Шоу продемонстрировал адаптивную систему контроля колебаний, использующую активаторы из Терфенола-Д [37]. Активато­ры создавали силы, противодействующие внешним воздействиям. Ре­зультаты показали, что в полосе частот 50-70 Гц амплитуду колебаний удается снизить более чем на 96,6% (29,3 дБ).
...
Система активного контроля учитывает вариацию характеристик от­дельных приводов из Терфенола-Д и изменение их поведения при со­вместном действием статической и динамической нагрузок. Амплитуду колебаний частотой 5 Гц удалось снизить на 32 дБ (рис. 7.11) [38, 39].
...
Для исследования эффективности демпфирования колебаний тро­сов в подвесных мостовых конструкциях была разработана и изготовле­на крупномасштабная модель моста, использующая мощные приводы [40]. Исследование подтвердило эффективность демпфирования коле-
...
баний при помощи системы активного контроля с обратной связью. Возбуждая модель на резонансных частотах, в тросах развивались коле­бания амплитудой 46 мм (0,8
...
Успешное развитие магнитострикционной активаторной техники зави­сит от нескольких факторов. Прежде всего для этого необходимо улуч­шать технологию производства приводов, управляющих усилителей и регуляторов. Кроме того, такие системы должны проектироваться с уче­том специфических условий их применения, размера, величины сме­щения и силы, скорости, потребляемой мощности и т.д. Для учета этих факторов критическое значение имеет знание того, как материал реаги­рует на внешнее воздействие.
...
баний при помощи системы активного контроля с обратной связью. Возбуждая модель на резонансных частотах, в тросах развивались коле­бания амплитудой 46 мм (0,8
...
Эта глава посвящена гидравлическим интеллектуальным устройствам. В ней описаны принципы работы таких устройств, методы получения цифрового сигнала, усилия, развиваемые гидравлическими машинами, и области их применения. Затем кратко описаны некоторые гидравли­ческие интеллектуальные устройства с электронным управлением.
...
С помощью программного управления интеллектуальный механизм может изменять свои характеристики. Это свойство называют гибкос­тью.
...
Электрическое напряжение на выходе гибкого генератора постоян­но в течение некоторого заданного времени Af, после чего оно изменя­ется. При этом нагрузка должна успеть отреагировать на уменьшение или увеличение управляющего напряжения. Интеллектуальное гидрав­лическое устройство типа предохранительного клапана, как правило, управляется при помощи электроники. Такие устройства имеют пре­имущества, присущие обычным гидравлическим устройствам. Прежде чем переходить к обсуждению того, зачем нужны интеллектуальные гидравлические клапаны, на примере некоторых низкоскоростных уст­ройств обсудим предъявляемые к ним требования.
...
Смесь жидкокристаллического (ЖК) нематика (70 об.%) и полиси-локсана (30 об.%) изменяет свою вязкость под действием электричес­кого поля. Она используется в адаптивных ходунках, изображенных на рис. 8.2, а. Этот пример демонстрирует свойства жидкости, исполь­зуемой в адаптивных машинах. Когда на управляющие пластины (рис. 8.2, Ь) подается напряжение величиной ~2 кВ/мм, ЖК домены поляризуются и выстраиваются вдоль поля вместе с полимером, в ре­зультате чего между доменами образуется жесткая связь. Вследствие малого размера доменов и высокой вязкости смеси -10 Пас, после подачи напряжения вязкость изменяется не слишком быстро, за вре­мя -20-80 мс. Величина регулируемого с помощью электроники пре­дела текучести равна -10 кПа при скорости сдвига 300/с, что соответ­ствует скорости движения пешехода 0,3 м/с (рис. 8.3, а) [2].
...
Ходунки корпорации Asahi Kasei принимают на себя вес человека и ограничивают его скорость, чтобы он не споткнулся при движении по наклонной дороге. Величина сопротивления определяется импульсами высокого напряжения, длительность которых регулирует датчик скорос­ти, установленный на колесе ходунков. Тормозящий момент силы зави­сит от величины управляющего напряжения. Такое поведение сильно отличается от поведения обычных ньютоновских жидкостей (рис. 8.3, Ь). Поскольку плотность тока в смеси ЖК с полисилоксаном равна лишь -1 мкА/см2, потребляемая мощность составляет доли ватта.
...
Электрическое напряжение на выходе гибкого генератора постоян­но в течение некоторого заданного времени Af, после чего оно изменя­ется. При этом нагрузка должна успеть отреагировать на уменьшение или увеличение управляющего напряжения. Интеллектуальное гидрав­лическое устройство типа предохранительного клапана, как правило, управляется при помощи электроники. Такие устройства имеют пре­имущества, присущие обычным гидравлическим устройствам. Прежде чем переходить к обсуждению того, зачем нужны интеллектуальные гидравлические клапаны, на примере некоторых низкоскоростных уст­ройств обсудим предъявляемые к ним требования.
...
Смесь жидкокристаллического (ЖК) нематика (70 об.%) и полиси-локсана (30 об.%) изменяет свою вязкость под действием электричес­кого поля. Она используется в адаптивных ходунках, изображенных на рис. 8.2, а. Этот пример демонстрирует свойства жидкости, исполь­зуемой в адаптивных машинах. Когда на управляющие пластины (рис. 8.2, Ь) подается напряжение величиной ~2 кВ/мм, ЖК домены поляризуются и выстраиваются вдоль поля вместе с полимером, в ре­зультате чего между доменами образуется жесткая связь. Вследствие малого размера доменов и высокой вязкости смеси -10 Пас, после подачи напряжения вязкость изменяется не слишком быстро, за вре­мя -20-80 мс. Величина регулируемого с помощью электроники пре­дела текучести равна -10 кПа при скорости сдвига 300/с, что соответ­ствует скорости движения пешехода 0,3 м/с (рис. 8.3, а) [2].
...
Ходунки корпорации Asahi Kasei принимают на себя вес человека и ограничивают его скорость, чтобы он не споткнулся при движении по наклонной дороге. Величина сопротивления определяется импульсами высокого напряжения, длительность которых регулирует датчик скорос­ти, установленный на колесе ходунков. Тормозящий момент силы зави­сит от величины управляющего напряжения. Такое поведение сильно отличается от поведения обычных ньютоновских жидкостей (рис. 8.3, Ь). Поскольку плотность тока в смеси ЖК с полисилоксаном равна лишь -1 мкА/см2, потребляемая мощность составляет доли ватта.
...
Рис. 8.2. (а) - Ходунки с интеллектуальным тормозом; (Ь) - электрореоло­гический тормоз, состоящий из двойного цилиндра и электрода.
...
Тормоз размером 15 х 100 мм на дороге с наклоном 15° обеспечивает человеку весом 60 кг устойчивость, как на ровной поверхности. Он так­же заменяет жесткую опору при вставании с кровати. Несмотря на срав­нительно невысокую скорость реакции смеси ЖК жидкости с полиси-локсаном, в данном случае она оказывается вполне достаточной. И хотя увеличение температуры может сильно ослабить электрореологический эффект, выделяемое при торможении тепло успевает рассеяться, не влияя на рабочие характеристики тормоза [1].
...
Рис. 8.2. (а) - Ходунки с интеллектуальным тормозом; (Ь) - электрореоло­гический тормоз, состоящий из двойного цилиндра и электрода.
...
Тормоз размером 15 х 100 мм на дороге с наклоном 15° обеспечивает человеку весом 60 кг устойчивость, как на ровной поверхности. Он так­же заменяет жесткую опору при вставании с кровати. Несмотря на срав­нительно невысокую скорость реакции смеси ЖК жидкости с полиси-локсаном, в данном случае она оказывается вполне достаточной. И хотя увеличение температуры может сильно ослабить электрореологический эффект, выделяемое при торможении тепло успевает рассеяться, не влияя на рабочие характеристики тормоза [1].
...
Рис. 8.2. (а) - Ходунки с интеллектуальным тормозом; (Ь) - электрореоло­гический тормоз, состоящий из двойного цилиндра и электрода.
...
Тормоз размером 15 х 100 мм на дороге с наклоном 15° обеспечивает человеку весом 60 кг устойчивость, как на ровной поверхности. Он так­же заменяет жесткую опору при вставании с кровати. Несмотря на срав­нительно невысокую скорость реакции смеси ЖК жидкости с полиси-локсаном, в данном случае она оказывается вполне достаточной. И хотя увеличение температуры может сильно ослабить электрореологический эффект, выделяемое при торможении тепло успевает рассеяться, не влияя на рабочие характеристики тормоза [1].
...
Рис. 8.2. (а) - Ходунки с интеллектуальным тормозом; (Ь) - электрореоло­гический тормоз, состоящий из двойного цилиндра и электрода.
...
Тормоз размером 15 х 100 мм на дороге с наклоном 15° обеспечивает человеку весом 60 кг устойчивость, как на ровной поверхности. Он так­же заменяет жесткую опору при вставании с кровати. Несмотря на срав­нительно невысокую скорость реакции смеси ЖК жидкости с полиси-локсаном, в данном случае она оказывается вполне достаточной. И хотя увеличение температуры может сильно ослабить электрореологический эффект, выделяемое при торможении тепло успевает рассеяться, не влияя на рабочие характеристики тормоза [1].
...
Глава 8. Гидравлические интеллектуальные устройства
...
Ходунки с автоматическим тормозом используют пациенты, страдаю­щие болезнью Паркинсона. Возможно, в будущем такие тормоза будут использоваться в инвалидных креслах и устройствах, применяемых при восстановлении конечностей и помогающих подниматься по лестнице.
...
В продаже скоро появится интеллектуальный протез, объединяю­щий протез ноги компании Biedermann ОТ (Германия) с демпфером, разработанным корпорацией Lord (США) (рис. 8
...
Ходунки с автоматическим тормозом используют пациенты, страдаю­щие болезнью Паркинсона. Возможно, в будущем такие тормоза будут использоваться в инвалидных креслах и устройствах, применяемых при восстановлении конечностей и помогающих подниматься по лестнице.
...
В продаже скоро появится интеллектуальный протез, объединяю­щий протез ноги компании Biedermann ОТ (Германия) с демпфером, разработанным корпорацией Lord (США) (рис. 8
...
микропроцессор определяет состояние человека (скорость хода, наклон, положение и т.д.) и принимает решение о приведении в действие гид­равлического амортизатора. Его вязкость жидкости в рабочем цилиндре зависит от величины магнитного поля (магнитореологическая жидкость), это позволяет оптимизировать движение человека. Время действия си­стемы и управляющего компьютера равно примерно 40 мс и сопостави­мо со скоростью реакции живого колена. Без дозарядки аккумулятор служит приблизительно два дня.
...
Приведенные примеры позволяют сформулировать основные требо­вания, которым должна удовлетворять жидкость. Для легкого движения протеза необходимо, чтобы вязкость жидкости цо
...
микропроцессор определяет состояние человека (скорость хода, наклон, положение и т.д.) и принимает решение о приведении в действие гид­равлического амортизатора. Его вязкость жидкости в рабочем цилиндре зависит от величины магнитного поля (магнитореологическая жидкость), это позволяет оптимизировать движение человека. Время действия си­стемы и управляющего компьютера равно примерно 40 мс и сопостави­мо со скоростью реакции живого колена. Без дозарядки аккумулятор служит приблизительно два дня.
...
Приведенные примеры позволяют сформулировать основные требо­вания, которым должна удовлетворять жидкость. Для легкого движения протеза необходимо, чтобы вязкость жидкости цо
...
Глава 8. Гидравлические интеллектуальные устройства
...
Включение электрического или магнитного поля приводит к появ­лению линейных структур, состоящих из взаимодействующих поляри­зованных частиц, как показано на рис. 8.8.
...
На основе электроструктурирующихся жидкостей можно создавать гидравлические устройства с линейным ходом силового штока. Это яв­ляется их преимуществом по сравнению с аналогичными механически­ми и электромагнитными устройствами (соленоидами и т.д.). Размер регулятора определяется его механическими характеристиками [4], при­чем жидкость может смазывать цилиндр, а ее малая сжимаемость обес­печивает устойчивость движения поршня при изменении нагрузки. Внешняя нагрузка приводит к появлению в жидкости сдвиговых напря­жений, равных напряжению текучести, зависящему от величины управ­ляющего поля и скорости течения.
...
Тепло, выделяемое при течении жидкости, равно произведению р cv А Г, где р - плотность, cv - удельная теплоемкость и AT —
...
Включение электрического или магнитного поля приводит к появ­лению линейных структур, состоящих из взаимодействующих поляри­зованных частиц, как показано на рис. 8.8.
...
ет во всех направлениях, для гидравлических систем не характерна значительная концентрация напряжения. Это является их достоин­ством по сравнению с механическими деталями вроде шестерен, ры­чагов и кулачков, в которых при регулярном переключении постепен­но растут усталостные трещины.
...
Простейший анализ условий равновесия приводит к уравнению ба­ланса сил, действующих на поршень регулятора (рис. 8.5, Ь)\
...
Хотя и относительно небольшое, но контролируемое изменение сдвигового напряжения т приводит к модуляции силы, действующей на поршень:
...
Глава 8. Гидравлические интеллектуальные устройства
...
Эпоха электромагнитных машин. Появилась возможность изме­нения скорости без изменения геометрии машины. Электрические часы приводятся в действие электродвигателем.
...
Парадигма развития современной техники состоит в дополнении механизмов первого и второго поколений компьютерами, сенсорами и методами интеллектуальной техники. В технике третьего поколения (ин­теллектуальной) и, в частности, в силовых устройствах используются интеллектуальные жидкости. В твердотельных полупроводниковых уст­ройствах серьезной проблемой является их охлаждение, так как выде­ляемая в них теплота пропорциональна кубу их характерного размера, а площадь поверхности пропорциональна его квадрату. Отметим, что элек­трореологическая жидкость является истинным жидким полупровод­ником. В частности, она реагирует на электрическое поле и имеет отри­цательный температурный коэффициент сопротивления. Жидкость может быть выведена из зоны разогрева, охлаждена и опять введена в рабочую зону, что является важной особенностью конструкции жидко­стных машин. При этом цифровое управление относительно недорого.
...




    Наплавка и напыление
    Термическая обработка сплавов: Справочник
    Цветные металлы и сплавы: Справочник
    Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение
    Индукционная наплавка твердых сплавов
    Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. пособие
    Процессы цементации в цветной металлургии

    rss
    Карта