Новые датчики опасных вибраций помогут выявить дефекты зданий и мостов

Специалисты Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" (НИТУ "МИСиС") разработали новый вид датчиков вибрации для устройств диагностики состояния зданий и мостов, а также космических аппаратов. Результаты опубликованы в журнале Sensors.

Уникальность разработанных датчиков заключается в использовании кристалла ниобата лития, который не содержит свинца (в отличие от ЦТС-керамики, используемой сегодня производителями таких датчиков), сообщил сотрудник кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ "МИСиС" Илья Кубасов.

По его словам, это позволит работающим на европейском рынке производителям выполнить введенную в ЕС директиву RoHS, которая постулирует постепенный отказ от свинца.

"Датчики вибрации могут использоваться в устройствах диагностики состояния зданий и мостов, так как позволяют своевременно обнаружить любые опасные вибрации, принять меры и эвакуировать людей. Их также можно применять в космических аппаратах и в системах охраны, они позволяют усилить контроль над территорией с ограниченным доступом или государственной границей", - рассказал Илья Кубасов РИА Новости.

Принцип работы датчиков вибрации основан на пьезоэлектрическом эффекте — пьезоэлемент деформируется при приложении к нему вибрации и отправляет электрический сигнал, который затем обрабатывается и анализируется специальной аппаратурой.

До сих пор производители датчиков сталкивались с рядом проблем в связи с использованием пьезоэлемента на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС), теряющего чувствительность при изменении температурного режима. Теперь эти проблемы можно решить, считают ученые, поскольку ниобат лития (LiNbO3) – монокристаллический материал, то есть, не содержит мелких зерен, как ЦТС-керамика, а его свойства стабильны в очень широком диапазоне температур.

Ниобат лития известен еще с середины XX века и широко используется для лазерной оптики, но применять его в датчиках вибрации мало кто пробовал из-за довольно слабых пьезоэлектрических свойств (примерно в 10 раз хуже ЦТС). Специалисты НИТУ "МИСиС" смогли повысить чувствительность ниобата лития к внешним вибрациям за счет формирования в нем так называемой "бидоменной структуры".

"С помощью специальных термообработок мы изменяем свойства кристалла так, чтобы верхняя половина пластинки была зеркальным отражением нижней половинки. Внешняя вибрация приводит к тому, что сигналы от этих доменов (они называются сегнетоэлектрическими доменами) складываются, и чувствительность датчика значительно возрастает", - пояснил Илья Кубасов.

Процесс получения бидоменных кристаллов разработан на кафедре материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ "МИСиС" и защищен патентом. По словам ученых, себестоимость изготовления материала ненамного больше, чем ЦТС.

Разработка нового типа датчиков на основе монокристаллических пьезопреобразователей позволит снизить минимальное ускорение, детектируемое подобными устройствами, до 10⁻⁷ g (одна десятимиллионная от ускорения свободного падения), а также значительно расширит область рабочих температур.