Диссертация (1091101), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Приводным элементом является юниморфный пьезопривод, в котором активный слойпьезокерамики нанесен на упругую пластину из углепластика. Производительность клапана на воздухе: от 0 (V = 40 В) до 17 л/мин (V = 250 В) при давлении 30PSI (2 бар). Время отклика – менее 10 мс с 10% ростом давления. Диаметр проходного сечения дросселя 1,3 мм, объем утечки – менее 0,6 л/ч. Температура эксплуатации – от 5 до 40 °С. Размер клапана 43х11х12 мм [26].Другим примером серийного пьезоклапана является PV-10 компании VeecoInstruments Inc.
Рабочее напряжение данного устройства составляет от 0 до 100 В.Время срабатывания 1-2 мс; напряжение – от 60 до 150 В. Производительностьуправляющего клапана Veeco PV-10 составляет 0..200 см3/мин [27].Оригинальная конструкция пьезоэлектрического микроклапана с возможностью компенсации давления предложена в литературе [24, 28] (рисунок 1.9).Рисунок 1.9. – Конструкция и принцип действия микроклапана [24]34Дело в том, что при использовании микроклапана в условиях, когда внешнее давление много больше внутреннего, могут возникнуть проблемы с его открытием. Одним из решений является использование мощного микроактюатора,который был бы способен преодолеть внешнее давление.
Общая схема и принципдействия пьезоэлектрического микроклапана показана на рисунке 1.9. Клапан выполнен из кремния методом травления и закреплен между двумя стекляннымипластинками с помощью метода анодного контакта. Исполнительная системавключает стеклянную мембрану с закрепленным на ее поверхности пьезодиском.Мембрана клапана соединена с приводной мембраной в краевой и центральнойобластях.
При отсутствии напряжения клапан закрыт, пропускное отверстиеплотно прижато к нижней стеклянной пластине. При подаче напряжения на пьезоэлемент, происходит изгиб приводной и клапанной мембран, что приводит кразмыканию зазора и открытию клапана. Прототип пьезоклапана содержит верхнюю стеклянную пластинку толщиной 130 мкм и диаметром 10 мм. Пьезодискимеет толщину 300 мкм. При подаче напряжения 50 В вертикальное перемещениемембраны составляет около 4 мкм. Подобный клапан может быть использован вмедицине или автомобильных системах [28].На рисунке 1.10 представлена зависимость работы по преобразованию ходаклапанов на основе различных принципов действия в зависимости от объема рабочего модуля привода.Рисунок 1.10 – Зависимость работы по преобразованию хода клапанов отобъема приводов с различными принципами действия [28].35Как видно, одними из наиболее перспективных являются пакетные (стековые) пьезоприводы, позволяющие при объемах модуля менее 10 см3 совершатьработу по перемещению клапана величиной 60 Н·мм.Одним из примеров применения пакетных (стековых) пьезоактюаторов являются пьезоэлектрические вакуумные клапаны и натекатели, которые были разработаны в середине 1980-х для использования в приложениях, требующих высокой чистоты рабочей среды и коррозионной стойкости [29].
Схема конструкциипьезоэлектрического клапана на основе пьезостеков показана на рисунке 1.11.Рисунок 1.11 – Пьезоэлектрический вакуумный клапанПьезопривод клапана представляет собой стопку (стек) из 50-100 отдельныхпьезодисков, соединенных между собой (механически и электрически) и поляризованных в осевом направлении. Гребенчатые электроды, нанесенные на пьезодиски, создают электрическое поле в них при подаче напряжения на клеммы актюатора. Это поле заставляет каждый диск расширяться в осевом (вертикальном)направлении, а суммарное расширение стопки дисков приводит к закрытию клапана.
Таким образом, большинство пьезоклапанов разработаны для работы в изначально открытом режиме, хотя для ряда задач используются «нормальнозакрытые» клапаны. Кроме того, способность генерировать большие усилия позволяет пьезоактюаторам использоваться в конструкциях мембранных клапанов.36Существуют также нормально-открытые клапаны с электромагнитнымуправлением, однако сложность подобных конструкций ограничивает их использование.Для работы в условиях разреженной атмосферы также используются пьезоэлектрические актюаторы на основе биморфов и мембран.Пьезоэлектрический быстрый газовый клапан ООО «Прикладная физика»[30], используется для быстрого и точного напуска газа в рабочую камеру.
Клапаноснован на биморфном пьезоэлементе, замыкающим и размыкающим канал. Пьезоклапан состоит из суппорта, держателя с пьезоэлементом, уплотнения, иглы срегулятором ее хода, входного и выходного патрубка, разъемов источника питания и корпуса. Пропускная способность устройства (при разности давлений в 0,1МПа) составляет от 1 до 30 мл/с; давление на входе – от 0,04 до 0,6 МПа; рабочаячастота – от 0 до 300 Гц; величина натекания при закрытом клапане (при входномдавлении 0,1 МПа) – менее 1,33·10-4 Па·л/с; максимальная рабочая температура473 К; диаметр клапана 37 мм, длина 150 мм, масса – 0,65 кг.Компания Maxtek Inc производит пьезоэлектрический натекатель [31] MV112.
Диапазон производительности насоса составляет от 0 до 500 см3/мин.; обратный поток при закрытом клапане не превышает 5·10-8 см3/с при давлении на входе 1 атм в среде гелия; время отклика 2 мс; максимальное давление на входе 0,345МПа; напряжение питания 0-100 В при постоянном токе 10 мкА или 0-24 В припостоянном токе 15 мА; рабочий температурный диапазон от 10 до 60С.
При создании клапана использовались следующие материалы: нержавеющая сталь, витон, тефлон, пьезокерамика с никелированными электродами. Вес клапана примерно 800 г.Существуют варианты пьезоэлектрических клапанов на пьезодвигателях,что позволяет снизить величину управляющего напряжения (до десятков вольт).Пьезоклапан фирмы DTI [32] приводится в действие кольцевым ультразвуковымпьезодвигателем непрерывного вращения, поворачивающим шаровой затвор изоткрытого положения в закрытое и наоборот.
Скорость потока регулируется – от0 мл/мин при 0 В до 500 мл/мин при напряжении 10 В. Зависимость производи-37тельности от напряжения линейная. Время срабатывания – 50 мкс, время открытия/закрытия – примерно 0,5 с.В сверхвысоковакуумном оборудовании применяются цельнометаллическиенатекатели с пьезоэлектрическими приводами [33]. Натекатели служат для дозированного напуска газов или плавного регулирования давления в вакуумных камерах электрофизических установок и технологического оборудования.
Наиболеераспространенными являются игольчатые натекатели, основанные на принциперегулирования потока газа изменением положения конической иглы в проходномотверстии натекателя.В работе [34] представлена схема сверхвысоковакуумной установки для исследования взаимодействия галогенов с металлами. Для напуска газа в камеру используются пьезокерамические натекатели СНА-1. Управление натекателем (т.е.давлением газа в пучке) осуществляется компьютером по сигналу обратной связис масс-спектрометра, показывающего парциальное давление молекулярного галогена в объеме вакуумной камеры.
Давление молекулярного галогена в потокеподдерживается на постоянном уровне с точностью не хуже 10 %. Относительнаяпогрешность определения дозы напуска не хуже 1 %.1.2.3. ПьезогироскопыГироскопом называется устройство для измерения угловой скорости вращения объекта в инерциальном пространстве. Вибрационным гироскопом называется малогабаритный датчик угловой скорости, который в качестве чувствительныхк вращению элементов содержит вибрирующие массы [35].В зарубежной литературе для таких устройств принято название Кориолисовы Вибрационные Гироскопы (CVG – Coriolis Vibrating Gyro) [35]. Данноеназвание обусловлено особенностью работы вибрационных гироскопов и основным их отличием от классических гироскопов – использованием в качестве инерционного тела вибрирующего элемента, при повороте которого в инерциальномпространстве помимо основных колебаний возникают также вторичные колеба-38ния в перпендикулярной плоскости, вызванные действием «боковых» инерцион ных сил Кориолиса Fик maк 2m V .
Здесь m – масса, a к – линейное ускорение, V – линейная относительная скорость колебаний; – вектор переносной уг-ловой скорости.При этом амплитуда вторичных колебаний пропорциональна переноснойугловой скорости поворота, а фаза колебаний служит для определения направления вращения [36].Для возбуждения первичных колебаний чувствительного элемента используют электромагнитный, электростатический или пьезоэлектрический способы.Для измерения амплитуды вторичных колебаний используют в основном электростатический и пьезоэлектрический способы. Вибрационные гироскопы, использующие обратный и прямой пьезоэффекты для возбуждения колебаний и измерения сигнала отклика от вторичных колебаний, называют пьезогироскопами (ПГ)[37, 36].Поскольку амплитуды первичных и вторичных колебаний чувствительногоэлемента ПГ очень малы, необходима резонансная настройка, сближающая частоты «возбуждения» и «отклика» - таким образом, большинство ПГ являются пьезорезонансными датчиками [36].Основными характеристиками вибрационных гироскопов являются динамический диапазон (°/с или °/ч), коэффициент преобразования или чувствительность (В/(°/с)); шум, также называемый случайным угловым уходом (°/(c· Гц ));ширина полосы пропускания (Гц); разрешение (°/с); динамический диапазон (дБ),последние два параметра имеют зависимость от величины шума и полосы пропускания.
Кратковременный и долговременный уход выходного сигнала, такжеизвестный как скорость дрейфа, также является важной характеристикой и измеряется в °/с или °/ч. Также указывается величина допустимых перегрузок, длябольшинства вибрационных гироскопов она не менее 1000g [38].В зависимости от уровня точности гироскопы могут быть разделены на трикласса: высокоточные, «inertial-grade» (разрешение выше 0,001 °/с); среднеточ-39ные, «tactical-grade» (разрешение 0,01 – 0,1°/с) и низкоточные, «rate-grade» (разрешение 0,1– 1°/с) [39].Вибрационные гироскопы относят к устройствам средней и низкой точности. В большинстве подобные устройства имеют динамический диапазон около 40дБ, случайный угловой уход более 0,1°/(c· Гц ) и скорость дрейфа порядка единиц °/ч. В свою очередь, высокоточные гироскопы (на основе роторов) имеютдинамический диапазон более 100 дБ, случайный угловой уход менее0,001°/(c· Гц ) и скорость дрейфа порядка 0,001 °/ч [38].Тем не менее, преимущества вибрационных гироскопов заключаются в ихмалых габаритах и стоимости, возможности интеграции в электронные схемы.Это обуславливает применение подобных датчиков для решения задач стабилизации и управления в бытовой электронике, фото- и видеоаппаратуре, робототехнике, манипуляторах, системах гашения вибраций технологического оборудования идругих областях [40, 41, 42, 43].Вибрационный гироскоп, как правило, состоит из датчика первичной информации и электронной схемы для обработки и преобразования сигналов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
