ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 10
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.10.3
УДК 537.8
Динамическая модель управления режимом демпфирования вибраций оптоволоконным
PEL-датчиком с фазовым сдвигом управляющего электрического напряжения
А. А. Паньков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 614990, Пермь, Комсомольский просп., 29
Статья поступила в редакцию 29 сентября 2020 г.
Аннотация. Разработана математическая динамическая модель функционирования оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного (PEL) датчика вибродавления в режиме демпфирования с учетом электрических проводимостей и максвелл-вагнеровской релаксации электрических полей фаз для случая действия гармонического напряжения (вибродавления) на внешней цилиндрической поверхности датчика. Получено и исследовано аналитическое решение задачи демпфирования стационарных осесимметричных колебаний оптоволоконного PEL-датчика посредством приложения к электродам датчика управляющего электрического напряжения, когерентного и со сдвигом фаз по отношению к вибродавлению. Установлены и изучены закономерности частотных зависимостей для действительных, мнимых частей управляющих, информативных передаточных и демпфирующих коэффициентов датчика. Проведен анализ влияния величины и угла сдвига фаз управляющего электрического напряжения на результаты численного моделирования интенсивности светового потока на выходе из оптоволокна датчика под действием вибродавления. Найдены частотные зависимости для электрического импеданса (полного сопротивления) электрической цепи переменного тока датчика в сравнении с аппроксимацией этих зависимостей по электромеханической аналогии. Выявлено, что в рассматриваемом частотном диапазоне электрический импеданс датчика с удовлетворительной точностью находится из рассмотрения эквивалентного электрического контура с параллельным соединением частотно зависимых активного и емкостного элементов. Установлен частотный диапазон и значения управляющих параметров для эффективного активного демпфирования вибродавления через преобразование в джоулево тепло (рассеивание) подводимой к датчику механической энергии. Сравнение тестовых результатов моделирования аналитического и численного (в пакете ANSYS) подходов подтверждают достоверность и адекватность полученных решений.
Ключевые слова: пьезоэлектроупругость, оптоволоконный датчик давления, демпфирование вибраций, максвелл-вагнеровская релаксация, численное моделирование.
Abstract. A mathematical dynamic model of the operation of the vibration pressure optical fiber piezoelectroluminescent (PEL) sensor in the damping mode was developed taking into account the electrical conductivities and Maxwell-Wagnerian relaxation of electric fields in the phases for the case of harmonic stress (vibration pressure) on the external cylindrical surface of the sensor. Analytical solution of damping of stationary axisymmetric oscillations of optical fiber PEL-sensor is obtained and investigated by applying coherent control electric voltage to electrodes of sensor with phase shifting relative to vibration pressure. Regularities of frequency dependencies for real, imaginary parts of control, informative transfer and damping coefficients of sensor are established and studied. Analysis of influence of value and shift angle of phases of control electric voltage on results of numerical simulation for intensity of light flux at output from optical fiber of sensor under action of vibration pressure is performed. Frequency dependencies were found for the electrical impedance of the AC electric circuit of the sensor in comparison with the approximation of these dependencies by electromechanical analogy. It was revealed that in the frequency range under consideration, the electrical impedance of the sensor with satisfactory accuracy is based on consideration of an equivalent electric circuit with parallel connection of frequency-dependent active and capacitive elements. Frequency range and values of control parameters are set for effective active damping of vibration pressure through conversion to Joule heat (dissipation) of mechanical energy supplied to the sensor. The results of comparing the analytical and numerical (in the ANSYS package) approaches confirm the validity and adequacy of the decisions obtained.
Key words: piezoelectroelasticity, fiber-optic pressure sensor, vibration damping, Maxwell-Wagner relaxation, numerical simulation.
Литература
1. Ajit A., Ang K. K., Wang C. M. Shape control of statically indeterminate laminated beams with piezoelectric actuators // Mechanics of advanced materials and structures. 2003. Vol. 10. № 2. P. 145-160.
2. Kayacik O., Bruch Jr. J.C., Sloss J.M., Adali S., Sadek I.S. Piezo control of free vibrations of damped beams with time delay in the sensor feedback // Mechanics of advanced materials and structures. 2009. Vol. 16. № 5. P. 345-355.
3. Chung D.D.L. Materials for vibration damping: Review // Journal of materials science. 2001. Vol. 36. P. 5733-5737.
4. Sharma S.K., Gaur H., Kulkarni M., Patil G., Bhattacharya B., Sharma A. PZT–PDMS composite for active damping of vibrations // Composites science and technology. 2013. Vol. 77. P. 42-51.
5. Aldraihem O.J., Baz A., Al-Saud T.S. Hybrid composites with shunted piezoelectric particles for vibration damping // Mechanics of advanced materials and structures. 2007. Vol. 14. № 6. P. 413-426.
6. Hagood N.W., von Flotow A. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks // Journal of sound and vibration. 1991. Vol. 146. P. 243-268.
7. Asmatulu R., Claus R.O., Mecham J.B., Inman D.J. Improving the damping properties of composites using ferroelectric inclusions // Journal of intelligent material systems and structures. 2005. Vol. 16. P. 463-468.
8. Hori M., Aoki T., Ohira Y., Yano S. New type of mechanical damping composites composed of piezoelectric ceramics, carbon black and epoxy resin // Composites Part A: Applied science and manufacturing. 2001. Vol. 32. P. 287-290.
9. Атамуратов А.Ж., Михайлов И.Е., Таран Н.А. Гашение вынужденных поперечных колебаний упругой балки с помощью нескольких стационарных актьюаторов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2018. № 2. С. 5-15.
10.Шевцов С.Н., Акопьян В.А., Панич А.А., Паpинов И.А., Самощенко И.Г. Оптимизация системы пьезоактюаторного гашения вибраций композитной лопасти вертолета // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 6. С. 2-8.
11.Yang Kuang, Meiling Zhu Evaluation and validation of equivalent properties of macro fibre composites for piezoelectric transducer modelling // Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 158. P. 189-197.
12.Kligman E.P., Matveenko V.P. Natural Vibration Problem of Viscoelastic Solids as Applied to Optimization of Dissipative Properties of Constructions // Int. J. Vibration and Control. 1997. Vol. 3. № 1. P. 87-102.
13. Матвеенко В.П., Клигман Е.П., Юрлов М.А., Юрлова Н.А. Моделирование и оптимизация динамических характеристик smart-структур с пьезоматериалами // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15. № 1. С. 75-85.
14. Матвеенко В.П., Ошмарин Д.А., Севодина Н.В., Юрлова Н.А. Задача о собственных колебаниях электровязкоупругих тел с внешними электрическими цепями и конечно-элементные соотношения для ее численной реализации // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. № 4. С. 476-485.
15. Юрлов М.А., Ошмарин Д.А., Севодина Н.В., Юрлова Н.А. Решение задачи о собственных колебаниях электроупругих тел с внешними электрическими цепями на основе их электрического аналога // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2018. № 4. С. 266-277.
16. Патент RU № 2630537. Волоконно-оптический датчик давления / Паньков А.А., опубл. 11.09.2017 Бюл. № 26.
17. Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. 2019. Vol. 288. P. 171-176.
18. Паньков А.А. Максвелл-вагнеровская релаксация электрических полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике вибродавления // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2017. № 11. URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov17/6/text.pdf
19.Турик А.В., Радченко Г.С. Гигантский пьезоэлектрический эффект в слоистых композитах сегнетоэлектрик-полимер // Физика твердого тела. 2003. Т.45. № 9. С. 1676-1679.
20. Петров В.М., Бичурин М.И., Srinivasan G. Максвелл-вагнеровская релаксация в магнитоэлектрических композиционных материалах // Письма в ЖТФ. 2004. Т.30. № 8. С. 81-87.
21. Долгинов А.И. Резонанс в электрических цепях и системах. Изд.-во: Москва; Ленинград: Госэнергоиздат, 1957. 328 с.
22. Паньков А.А. Математическая модель импульсного сканирования давления по длине пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика // Вестник ПНИПУ. Механика. 2018. № 1. С. 73-82.
23. Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent optical fiber sensor for diagnostics of the stress state and defectoscopy of composites // Mechanics of Composite Materials. 2017. Vol. 53, № 2. P. 229-242.
Для цитирования:
Паньков А.А. Динамическая модель управления режимом демпфирования вибраций оптоволоконным PEL-датчиком с фазовым сдвигом управляющего электрического напряжения. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.10.3