ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Мусієнко Максим Павлович.

УДК 621.3.537.228.1

Поліморфні п'єзокерамічні перетворювачі тиску з просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої

обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана Черкаському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Шарапов Валерій Михайлович, зав. кафедрою Комп'ютеризованих інформаційних технологій у приладобудуванні Черкаського інженерно-технологічного інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, Куценко Альфред Миколайович професор кафедри фізики Одеського державного політехнічного університету. Доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич завідувач науково-дослідною лабораторією "Сенсорна електроніка" Одеського державного університету ім.І.І.Мечникова

Провідна установа Вінницький державний технічний університетМіністерства освіти і науки України, кафедри метрології та промислової автоматики і автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки

Захист відбудеться __27.06.2001 р. о _13-30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: м. Одеса, пр. Шевченка, 1. Автореферат розісланий 24.05.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.

.

Мусієнко М.П. Поліморфні п'єзокерамічні перетворювачі тиску з просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком. – Рукопис.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення і створення нових методів проектування елементів і пристроїв для систем керування, приладобудування та обчислювальної техніки, зокрема, первинних п'єзокерамічних перетворювачів тиску з просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком.

Розвиток автоматичних систем керування підвищив вимоги до перетворювачів фізичних величин. З'явилася потреба в нових перетворювачах, і зросли вимоги до відомих.

Від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування і регулювання, приладів контролю технологічних процесів, навколишнього середовища, безпека роботи ядерних, теплових, хімічних установок, літальних апаратів і морських об'єктів, тому роботи зі створення нових і вдосконалення відомих перетворювачів є дуже актуальними.

Протягом останніх десятиліть був досягнутий надзвичайний прогрес у даній області, і, як наслідок, була створена значна кількість різноманітних типів п'єзокерамічних перетворювачів тиску, які використовуються для систем керування і навігації надводних і підводних суден, в електроакустиці, вимірювальній техніка й ін.

Проте п'єзокерамічним перетворювачам тиску властиві такі недоліки, як порівняно низька часова і температурна стабільність, невисока точність, порівняно вузький частотний діапазон.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до фундаментальної держбюджетної науково-дослідної роботи (держ. рег. № 197V015160) "Створення континуальних механіко-математичних моделей і основ аналізу функціональних параметрів і синтезу шаруватих п'єзоелектричних перетворювачів".

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є вдосконалення поліморфних п'єзокерамічних перетворювачів тиску за допомогою просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку.

Поставлена мета повинна бути досягнута:

· шляхом одержання аналітичних виразів для розрахунку чутливостей триморфних п'єзокерамічних перетворювачів тиску (ППТ) зі зворотним зв'язком;

· шляхом побудови і дослідження структурних схем та передаточних функцій мономорфних, біморфних, планарних і компланарних триморфних симетричних та асиметричних ППТ із ПЗ, які аналізувалися в якості статичних систем автоматичного керування;

· шляхом дослідження розподілу механічних напруг у ППТ при спільному впливі механічних зусиль та електричних полів.

У дисертації сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Розробка нового методу введення просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку по допоміжному каналу.

2. Обгрунтування режиму роботи п'єзоперетворювача з ПЗ, при якому відносна похибка перетворювача збігається до нуля.

3. Одержання аналітичних виразів для розрахунку чутливостей триморфних п'єзокерамічних перетворювачів тиску з негативним зворотним зв'язком.

4. Побудова і дослідження структурних схем та передаточних функцій мономорфних, біморфних, планарних та компланарних триморфних симетричних та асиметричних п'єзокерамічних перетворювачів тиску з негативним зворотним зв'язком, які аналізувалися в якості статичних систем автоматичного керування.

5. Дослідження розподілу механічних напруг у п'єзоперетворювачах тиску при спільному впливі механічних зусиль та електричних полів.

Об'єкт дослідження - п'єзокерамічні перетворювачі тиску.

Предмет дослідження - п'єзокерамічні перетворювачі тиску з просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої задачі використовувалися методи лінійної теорії електропружності, а також математичний апарат теорії автоматичного керування. Для аналізу триморфних п'єзокерамічних перетворювачів використовувався метод гіпотез Кірхгофа-Лява. Для аналізу розподілу механічних полів у п'єзоелементі використовувалися методи теорії фотопружності. Для аналізу перетворювачів використані також методи імітаційного моделювання, фізичні експерименти на макетах і дослідних зразках, методи теорії імовірності та математичної статистики.

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними та залежностями, виготовленням дослідних зразків та їх іспитів.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше отримані аналітичні вирази для розрахунку чутливості ланцюга прямого перетворення та зворотного зв'язку триморфних п'єзокерамічних перетворювачів тиску зі зворотним зв'язком;

· вперше побудовані та досліджені структурні схеми, а також отримані і досліджені передаточні функції мономорфних, біморфних, планарних і компланарних триморфних симетричних та асиметричних ППТ із ПЗ, які аналізувалися в якості статичних систем автоматичного керування.

Наукова і інженерно-технічна новизна результатів та досліджень підтверджується публікаціями і патентами України.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблений метод введення ПЗ по допоміжному каналу дозволяє підвищити точність, розширити частотний діапазон, а також збільшити температурну та часову стабільність ППТ.

2. Аналітичні вирази розрахунку чутливостей триморфних ППТ із ПЗ дозволяють більш точно розраховувати їх чутливості.

3. Результати досліджень структурних схем та передаточних функцій мономорфних, біморфних, планарних і компланарних триморфних симетричних та асиметричних п'єзокерамічних перетворювачів тиску з ПЗ дозволяють оцінювати і прогнозувати статичні та динамічні характеристики ППТ із ПЗ при їх проектуванні.

Результати досліджень використовуються в навчальному процесі по дисципліні "Перетворюючі пристрої приладів" у Черкаському інженерно-технологічному інституті, а також у промисловості, зокрема, в НТК "Фотоприлад".

Особистий внесок здобувача полягає в пропозиції нового методу введення зворотного зв'язку в п'єзоперетворювачах за допомогою просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку, який вводиться по допоміжному каналу [3, 10]. Автор довів можливість підвищення точності п'єзоперетворювачів за допомогою запропонованого методу [13]. Побудував та дослідив структурні схеми та передаточні функції п'єзокерамічних перетворювачів тиску зі зворотним зв'язком, які розглядалися в якості статичних систем автоматичного керування [4], дослідив розподіл механічних напруг у п'єзоперетворювачах, який виникає під впливом механічних зусиль та електричних полів [5]. Крім того, автор розробив, обгрунтував та експериментально дослідив мономорфні, біморфні [7, 16], триморфні п'єзоперетворювачі [2, 12] зі зворотним зв'язком, схеми з підсилювачами заряду [6, 11, 14, 15], з ультразвуковими концентраторами та на акустично зв'язаних резонаторах [8, 9], схеми збудження резонансних п'єзоперетворювачів [1].

Апробація результатів дисертації. Головні положення дисертаційної роботи докладалися та обговорювалися на 14 науково-технічних міжнародних та республіканських конференціях: IEEE International Ultrasonics Symposium (Sendai, Japan, 1998); на конференції "Автоматика - 97" (Черкаси, 1997); на Міжнародній конференції "Приладобудування - 98" (Вінниця-Симферополь, 1998); на Міжнародній конференції "СІЕТ - 98" (Київ-Кам'янець-Подільський, 1998); на Міжнародній конференції "Metrology And Metrology Assurance" (Bulgaria, 1999); на Міжнародній конференції "СІЕТ4 - 98" (Київ-Севастополь, 1998); на Міжнародній конференції "СІЕТ5 - 99" (Київ-Миколаїв, 1999), на Міжнародній конференції "Приладобудування - 99" (Ялта, 1999); на Міжнародній конференції "Наука і підприємництво" (Вінниця 1999, 2000); на Міжнародній конференції "СІЕТ6 - 99" (Київ, 1999); на Міжнародній конференції "Датчик - 99" (Гурзуф-Москва, 1999); на Міжнародній конференції "СІЕТ7 - 00" (Вінниця, 2000); на Міжнародній конференції "Приладобудування - 2000" (Ялта, 2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 16 головних наукових працях, у тому числі в 9 статтях у журналах та збірниках наукових праць, які затверджені ВАК України:

· 2 статті в журналі "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах";

· 1 стаття в працях конференції “Автоматика - 97”;

· у 7 статтях на міжнародних конференціях в Україні, Росії, Японії, Болгарії;

· а також у 5 патентах України на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав і висновків. Дисертація містить 178 сторінок, 119 рисунків, 8 таблиць, списку використаних джерел із 65 найменувань та 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність напрямку дослідження, сформульовані мета та задачі дослідження, викладені наукова новизна і практична цінність роботи, приведені відомості про апробацію, публікації, відомості про використання результатів дослідження.

У першому розділі приведений аналіз робіт в галузі ППТ для систем керування та навігації, приладобудування, обчислювальної, а також вимірювальної техніки.

Були розглянуті відомі ППТ, які застосовуються в якості приймачів гідро- та електроакустичних систем, пристроїв виміру відстаней. Відзначені їх недоліки, а також засіб зменшення їх впливу – застосування негативного зворотного зв'язку.

Показано, що зворотній зв'язок дозволяє формувати необхідні характеристики перетворювачів: змінювати частотні характеристики, значення затухань, вхідні та вихідні опори, нелінійні та частотні викривлення, постійні часу первинних перетворювачів і т. ін.

Для статичних і астатичних систем автоматичного керування умовою досягнення мінімуму похибки є такий рівень негативного зворотного зв'язку (НЗЗ), при якому W? ? ?, де W - коефіцієнт передачі ланцюга прямого перетворення, охопленого НЗЗ, а ? - коефіцієнт передачі ланцюга НЗЗ. При цьому введення НЗЗ може різко знизити результуючу похибку всієї замкнутої системи тільки в тому випадку, якщо похибка в ланцюзі НЗЗ мала.

Звичайно НЗЗ у системах керування вводиться по вхідному впливу. При цьому застосування НЗЗ у ППТ пов'язано з необхідністю створення силових компенсаторів, що різко ускладнює конструкції перетворювачів і зводить, таким чином, на нівець переваги від введення НЗЗ. Це призвело до того, що цей метод до цього часу практично не використовувався в ППТ.

В другому розділі був розроблений та досліджений новий метод введення НЗЗ у ППТ не по головному вимірювальному впливу, а по одному з внутрішніх параметрів п'єзоелемента.

У зв'язку з тим, що вихідна величина п'єзоперетворювачів (заряд або напруга) залежить не тільки від механічного впливу (сили, тиску, прискорення), але і від електричної напруги, був запропонований метод введення просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку по допоміжному каналу, який утворюється за допомогою додаткової системи електродів (рис.1).

Рис. 1. П'єзокерамічний перетворювач з ПЗ

Структурна схема перетворювача за рис.1 показана на рис.2.

Рис. 2. Структурна схема п'єзоперетворювача з ПЗ

Тут ланці з коефіцієнтом передачі W1 відповідає перетворення сили F, що діє на п'єзоелемент ПЕ, у механічну напругу ?1. Ланка W2 відповідає перетворенню ?? у заряд q на електродах п'єзоелемента. W3 – перетворення заряду q у напругу на електродах п'єзоелемента UПЕ1. Ланка W4(р) описує процес, який відбувається при підключенні навантаження до п'єзоелемента (передачу напруги UПЕ1 у ланку – UВХ) і має вигляд видозміненої диференційованої ланки. W5 – коефіцієнт передачі підсилювача напруги ПН. Ланка W6(р) описує процес, що зворотний процесу у ланці W4(р), який відбувається при підведенні напруги від підсилювача напруги до додаткового електрода п'єзоелемента (передача напруги UВИХ у напругу між електродами п'єзоелемента UПЕ2 ). W7 – перетворення напруги UПЕ2 у механічну напругу ?2.

Коефіцієнти передач та передаточні функції ланок мають вигляд:

W1 = ?1 / F = 1 / S ; W2 = q / ?? = d31 S ; ;

, де ?R = , ? = RПЕ СПЕ ; ;

, де ? R = ; W7 = ?2 / UПЕ2 = Е d31 / l ,

де ? ПН = КПН / 2? f1, f1 – частота одиничного підсилення, КПН – коефіцієнт підсилення підсилювача напруги, S, RПЕ, СПЕ – площина, опір та ємність п'єзоелемента, l – відстань між електродами, RВХ, RВИХ – вхідний та вихідний опори підсилювача, Е – модуль Юнга.

Загальна передаточна функція прийме вигляд:

WПЗ(р) = , (1)

де W(p) = W2 W3(p) W4(p) W5(p) – коефіцієнт передачі ланцюга прямого перетворення, який охоплений ПЗ; ? (p) = W6(p) W7 – коефіцієнт передачі ланцюга ПЗ.

Отриманий вираз для відносної похибки п'єзоперетворювача з ПЗ має вигляд:

, (2)

де ?W = ?W2 + ?W3 + ?W4 + ?W5 – відносна похибка ділянки ланцюга прямого перетворення, яка охоплена ПЗ; ?? = ?W6 + ?W7 – відносна похибка ланцюга зворотного зв'язку ?. – відносна похибка ланки Wi.

З урахуванням співвідношень, які виконуються на практиці ??; ??; , вираз для відносної похибки прийме вигляд:

. (3)

При W(p) ? (p) = 1 .

Таким чином, зменшення похибки можна досягти за умови рівності одиниці добутку коефіцієнтів передачі W(p) і ? (p). Ця умова відрізняється від прийнятого в статичних системах регулювання режиму зворотного зв'язку, де прагнуть до W ? ? ?.

За допомогою комп'ютерного моделювання (з використанням пакета програми Mathcad 7.0) був проведений аналіз ППТ із дисковим п'єзоелементом ?20?1мм із п'єзокераміки ЦТС-19 із підсилювачем напруги. Було виявлено, що для даного перетворювача виконання умови W(p) ?(p) = 1 відбувається при значенні коефіцієнта підсилення підсилювача напруги КПН = 2,8 (рис.3,а). Також було визначено, що введення ПЗ призводить до зменшення чутливості перетворювача приблизно в два рази, а також до збільшення його смуги пропускання (вбік нижніх частот) (рис.3,б).

Для оцінки стійкості використовувався критерій Найквіста. По АФХ можна зробити висновок про стійкість замкнутої систем, тому що характеристика не охоплює точки з координатами [-1,j0] (рис.3,в).

Рис.3. Характеристики п'єзоперетворювача тиску з ПЗ:

а - залежність КПН від частоти за умови W? = 1, б - АЧХ, в - АФХ

В даний час із п'єзокерамічними перетворювачами частіше застосовуються підсилювачі заряду. Головна їх перевага полягає в тому, що вони виключають вплив довжини з'єднувальних кабелів на загальну чутливість систем і, отже, припускають застосування з'єднувальних кабелів практично будь-якої довжини.

Рис.4. П'єзоперетворювач з ПЗ з підсилювачем заряду

Аналіз схеми ППТ із ПЗ із підсилювачем заряду (рис.4) показав, що для досягнення мінімальної похибки також потрібна рівність одиниці добутку W(p) ? (p).

П'єзоперетворювач із підсилювачем заряду має ряд недоліків, які пов'язані з вхідним струмом, що протікає через конденсатор зворотного зв'язку і заряджає його, а також напругою зсуву, що впливає на вхідну напругу як деяка добавка, що також підзаряджає конденсатор.

У роботі розглянуто декілька способів усунення цих похибок.

Досліджувалася схема (рис.5,а), у якій похибка виміру не залежить від нестабільності ємності конденсатора в ланцюгу зворотного зв'язку, а визначається тільки характеристиками п'єзоелемента. Остання складова похибки може бути компенсована введенням зворотного зв'язку по напрузі за допомогою додаткового підсилювача DA2 (рис.5,б).

Рис.5. П'єзоперетворювачі з п'єзоелементом у ланцюгу зворотного зв'язку

Для зменшення похибок у схемах п'єзоперетворювачів із підсилювачами заряду можна також використовувати в якості конденсатора зворотного зв'язку додатковий п'єзоелемент ПЕ2, параметри якого відповідають параметрам головного п'єзоелемента ПЕ1, і який розташований на ньому компланарно (рис.5,в).

У роботі були досліджені п'єзоелектричні перетворювачі зі зворотним зв'язком, у яких використовувалися одночасно підсилювачі напруги та заряду (рис.6).

Рис.6. П'єзоперетворювачі з підсилювачами заряду та напруги

Тут у якості узгоджувальних підсилювачів використовуються підсилювачі заряду ПЗр, а в цепі зворотного зв'язку – підсилювачі напруги ПН. І для цих перетворювачів мінімум похибки досягається за умови W(р)? (р) =1.

У третьому розділі вивчений вплив просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку у біморфних та триморфних ППТ.

Як відомо, у порівнянні з мономорфними, біморфні та триморфні п'єзоперетворювачі мають ряд переваг, серед яких висока чутливість, що визначає їх широке застосування в різноманітних галузях техніки.

У роботі вивчалися асиметричні та симетричні планарні та компланарні триморфні п'єзоперетворювачі (рис.7).

Рис.7. Планарні асиметричні (а) компланарні асиметричні (б) та

симетричні (в) п'єзоелектричні перетворювачі:

1, 2 - п'єзоелементи; 3 - металева пластина

Для цих перетворювачів існує, принаймні, 18 варіантів підключення металевої пластини і п'єзоелементів до входу та виходу підсилювача і загального проводу схеми.

Для експериментальних досліджень планарних асиметричних ППТ із ПЗ був виготовлений зразок на основі електроакустичного перетворювача (п'єзоелектричного дзвінка) ЗП-19, що випускається АТ "Аврора" (м.Волгоград). П'єзоелемент цього перетворювача був розділений на два півкільця і диск. Для цих перетворювачів існує шість варіантів підключення перетворювача до підсилювача і до загального проводу схеми (рис.8).

Рис.8. Варіанти включення планарних асиметричних триморфних

п'єзоперетворювачів із ПЗ

Як приклад для варіанта 1 (рис.8) приведені експериментально отримані АЧХ (рис.9), імпульсні (рис.10,г,д,е) та перехідні (рис.10,ж,з,і) характеристики перетворювача з та без ПЗ.

Добором коефіцієнта підсилення КПН підсилювача напруги можна сформувати АЧХ, яка буде лінійна в широкому діапазоні частот (рис.9,б,в).

Досліджений перетворювач являє собою коливальну систему з достатньо високою добротністю. Введення ПЗ призводить до збільшення згасання коливальної системи і до переходу в диференційований інерційний ланцюг.

Рис. 9. АЧХ триморфного перетворювача за варіантом 1:

а - без ПЗ; б - із ПЗ (КПН = 8); у - із ПЗ (КПН = 7)

Результати аналізу 18 варіантів схем показали, що планарні та компланарні триморфні асиметричні та симетричні п'єзоелектричні перетворювачі в залежності від схеми підключення до підсилювача можуть володіти як властивостями резонансного коливального ланцюга, так і диференційованого інерційного. Введення ПЗ лінеаризує частотну характеристику і розширює в декілька разів частотний діапазон перетворювача як убік низьких, так і високих частот. Крім того, введення ПЗ зменшує резонансні властивості перетворювача і створює або підсилює диференційовані.

Рис. 10. Схеми вимірювання (а, б, в) і отримані результати імпульсних (г, д, е) та перехідних (ж, з, і) характеристик за варіантом 1

Для асиметричних триморфних компланарних п'єзоперетворювачів були отримані аналітичні вирази для розрахунку чутливості ланцюгів прямого й зворотного перетворення:

(4)

(5)

де ; ; ; ; ; Z0 = Z1 = Z0 – hp(1); – товщини металевої пластини та п'єзоелементів; – діелектрична проникність при постійній механічній напрузі; ? – коефіцієнт Пуассона; КПН – коефіцієнт підсилення підсилювача напруги; , – податливості металевої пластини та п'єзоелементів при постійному електричному полі; d31 – п'єзомодуль; n – коефіцієнт, який враховує взаємний напрямок поляризації п'єзоелементів (n = 1 – при зустрічному; n = 2 – при збіжному напрямку).

У четвертому розділі приведені експериментальні дослідження ППТ із ПЗ. Був вивчений розподіл механічних напруг у п'єзоелементі, який виникає під впливом тиску, електричних полів, а також при їх спільному впливі.

Для вивчення розподілу напруг у прозорих моделях при впливі механічних зусиль використовувався поляризаційно-оптичний метод дослідження, відомий за назвою методу фотопружності. Розподіл вивчався на моделях із ніобату літію, калію дигідрофосфату, желатину і оргскла.

Отримані результати показують, що, чим вище жорсткість матеріалу зразка, тим вище однорідність механічних напруг, яка виникає у зразку. І навпаки.

Механічні напруги, які виникають під впливом електричних полів, вивчалися на зразках із калію дигідрофосфату з використанням ефекту Кєра (рис.11).

Рис. 11. Розподіл механічних напруг під впливом електричних

полів у кристалі калію дигідрофосфату:

а - напруга прикладена до електродів 2 і 6; б - до електродів 2 і 5;

в - до електродів 1 і 2; г - до електродів 2 і 3

При одночасному впливі як тиску, так і електричних полів, у зоні впливу електричних полів (які виникають при введенні ПЗ) вирівнюються нерівномірності механічних напруг, які виникають під впливом тиску (рис.12).

Рис. 12. Розподіл механічних напруг при одночасному

впливі тиску й електричних полів:

а - тільки тиск; б - одночасний вплив тиску та електричного поля

У роботі була визначена температурна нестабільність ППТ з та без ПЗ. Для цього використовувався п'єзоелемент із п'єзокера-міки ЦТС-19 у вигляді бруска довжиною 50, висотою 9 і шириною 10 мм. Підсилювач напруги ПН був виконаний на польовому транзисторі КП103Ж із коефіцієнтом підсилення від 0 до 11 та вхідним опором 4,4МОм (рис.13).

Рис. 13. Експериментальна установка

Вимірювалася вихідна напруга перетворювача з та без ПЗ при кімнатній температурі, а потім при перебуванні його в термошафі з температурою 600 С.

Експеримент здійснювався при значенні частоти збуджуючого генератора, яка дорівнює 2 кГц (перша резонансна частота ППТ, який застосовувався - 65 кГц).

Рис. 14. Температурна нестабільність ППТ

Як показали експерименти, введення ПЗ призвело до істотного (у 5-6 разів) зниження температурної нестабільності. Крім того, існує таке значення КПН при якому досягається мінімальне значення похибки, що відповідає умові W? = 1.

Вивчений також випадок, коли передача тепла відбувається не через навколишнє середовище, а безпосередньо від об'єкта через поверхню п'єзоелемента, якою він закріплений до нього (рис. 14). У цьому випадку введення ПЗ також призвело до зниження температурної нестабільності, а також до існування КПН із мінімальним значенням температурної нестабільності.

Крім того, у роботі було показано, що введення ПЗ призводить до зменшення, приблизно у 5-10 разів, часової нестабільності.

Отримані показники для перетворювачів з та без ПЗ показані в таблиці 1.

Таблиця 1

Параметри ППТ

№ Тип Матеріал Форма п'єзоелемента Робоча смуга частот, Гц Часова нестабільність ?, % Температурна нестабільність ?, %

1 ПКС-4 ЦТС-19 Циліндр 5-600 6,1 13,2

2 ПКС-4 з ПЗ ЦТС-19 Циліндр 3-20000 0,8 2,5

3 ПКС-6 ЦТС-19 Два диска 5-600 4,7 11,1

4 ПКС-6 з ПЗ ЦТС-19 Два диска 3-20000 0,6 1,9

5 ПК-19 ЦТС-25 Два диска 5-600 5,1 12,4

6 ПК-19 з ПЗ ЦТС-25 Два диска 3-20000 0,7 2,3

ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи дослідження.

Отримані результати використовуються в навчальному процесі, а також у промисловості.

2. Розроблений новий метод введення просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку по допоміжному каналу за допомогою додаткових електродів або п'єзоелементів, які розташовані із головним планарно або компланарно, дозволяє збільшувати робочу смугу частот перетворювачів, а також зменшувати температурну і часову стабільність. Крім того, за допомогою ПЗ можна управляти характеристиками ППТ - збільшувати їх точність, зменшувати частотні та нелінійні викривлення, змінювати в необхідному напрямку постійні часу перетворювача, добротність, і т. ін.

3. В результаті дослідження структурних схем та передаточних функцій ППТ із ПЗ, які аналізувалися в якості статичних систем автоматичного керування, був обгрунтований режим ПЗ, при якому відносна похибка збігається до нуля, а саме, встановлено, що мінімальному значенню похибки відповідає добуток коефіцієнта передачі ланцюга прямого перетворення, який охоплений ПЗ, на коефіцієнт передачі ланцюга ПЗ, який дорівнює одиниці.

4. В результаті аналізу структурних схем та експериментального дослідження ППТ із ПЗ було встановлено, що ПЗ, який вводиться по допоміжному каналу в асиметричні планарні, а також асиметричні та симетричні компланарні триморфні п'єзоперетворювачі, лінеаризує частотну характеристику і, отже, розширює частотний діапазон перетворювача, зменшує постійну часу перехідного процесу, збільшує коефіцієнт згасання коливального процесу, а також зменшує резонансні та створює або підсилює диференційовані властивості таких ППТ.

5. Для зменшення похибки виміру в схемах ППТ із підсилювачами заряду варто використовувати в якості конденсатора зворотного зв'язку додатковий п'єзоелемент, параметри якого відповідають параметрам головного п'єзоелемента, та який розташований на ньому компланарно.

6. У результаті аналізу схем п'єзокерамічних перетворювачів за допомогою комп'ютерного моделювання було встановлено, що:

а) для збільшення смуги пропускання необхідно збільшувати значення опорів та ємностей п'єзоелемента, а також вхідних та вихідних опорів підсилювача;

б) ППТ із ПЗ є стійкими системами.

7. Отримані формули для розрахунку чутливості ланцюга прямого перетворення і зворотного зв'язку для асиметричних компланарних триморфних перетворювачів дозволяють використовувати їх при проектуванні ППТ.

8. У результаті дослідження розподілу механічних напруг у п'єзоперетворювачах, які виникають під впливом механічних зусиль та електричних полів було встановлено, що:

а) чим вище жорсткість матеріалу зразка, тим вище однорідність механічних напруг, які виникають у зразку, і навпаки;

б) форма і просторове розташування електродів має істотний вплив на розподіл механічних напруг в об'ємі п'єзоелемента;

в) у зоні впливу електричних полів нерівномірності механічних напруг, які створюються механічним зусиллям, зменшуються.

9. В результаті експериментальних досліджень ППТ із ПЗ було встановлено, що:

а) введення ПЗ призводить до істотного зниження температурної нестабільності, принаймні, у 5-6 разів;

б) чим ближче робоча частота п'єзоперетворювача до резонансної, тим вище температурна нестабільність;

в) залежності температурних нестабільностей носять нелінійний характер, як при нагріванні, так і при охолодженні п'єзоелемента;

г) характер зміни температурної нестабільності залежить від способу нагрівання ППТ (всебічне нагрівання п'єзоелемента через навколишнє середовище або нагрівання однієї сторони п'єзоелемента за допомогою передачі тепла від об'єкта, до якого прикріплений п'єзоелемент);

д) на значення і характер зміни температурної нестабільності впливає теплопровідність матеріалу об'єкта, до якого прикріплений п'єзоелемент.

е) введення ПЗ призводить до зменшення часової нестабільності (приблизно у 5-10 разів).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мусиенко М.П. Исследование схем возбуждения резонансных пьезоэлектрических датчиков // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (спец. выпуск). – Винница. – 2000. – С. 234-237.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Чудаева И.Б. Компланарные триморфные пьезоэлементы с обратной связью // Труды 4-й Укр. конф. “Автоматика-97”. – Том 4. – Черкассы. – 1997. – С. 73-75.

3. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях механических величин // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – Хмельницький, 1999. – №2. – С. 64-67.

4. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Электромеханическая обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях // Вісник ЧІТІ. – 2000. – №1. – С. 63-69.

5. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Исследование механических напряжений в пьезоэлектрических преобразователях // Вісник ЧІТІ. – 2000. – №2. –С. 194-198.

6. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Исследование усилителя заряда с пьезоэлементом в цепи обратной связи операционного усилителя // Вісник ЧІТІ. – 2000. – №3. – С. 61-64.

7. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Аллавердиев А.М. Расчет асимметричных биморфных пьезоэлементов // Вісник ЧІТІ. – 1998. – №3 – С. 3-7.

8. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Резонансные преобразователи с ультразвуковыми концентраторами // Вісник ЧІТІ. – 1999. – №3. – С. 30-34.

9. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Пьезоэлектрические преобразователи на акустически связанных резонаторах // Вісник ЧІТІ. – 1999. – №4. – С. 89-93.

10. Sharapov V., Sarvar I., Chudaeva I., Mousienko M. The Electromechanical Feed-Back in Piezoceramic Sensors and Transducers // 1998 IEEE International Ultrasonics Symposium, Sendai, Japan. – New Jersy, 1998.

11. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Пьезоэлектрический датчик механических величин с усилителем заряда // Труды Междунар. конф. “Metrology And Metrology Assurance”. – Sofia: Bulgaria, 1999. – С. 98-100.

12. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Триморфные пьезоэлементы для датчиков механических величин // Труды филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 1999. – С. 262-265.

13. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Повышение точности пьезодатчиков измерителей артериального давления // Труды Междунар. конф. “Датчик-99”. – Москва - Гурзуф, 1999. – С. 175-176.

14. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Универсальный усилитель заряда для пьезоэлектрических преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 2000. – С. 394-396.

15. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Зарядовый усилитель с пьезодатчиком в цепи обратной связи // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 2000. – С. 441-444.

16. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П. Исследование асимметричных биморфных преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 2000. – С. 445-447.

Отримано також 5 патентів України на винаходи (патенти № 34315 А – 34319 А).

Ключові слова українською мовою - просторовий електромеханічний негативний зворотний зв'язок, п'єзокерамічний перетворювач тиску, поліморфний, відносна похибка.

Ключові слова російською мовою - пространственная электромеханическая отрицательная обратная связь, пьезокерамический преобразователь давления, полиморфный, относительная погрешность.

. Ключові слова англійською мовою - spatial electromechanical negative feedback, piezoceramic converter of pressure, polymorphic, relative error

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05. - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 2001.

Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню поліморфних п'єзокерамічних перетворювачів тиску за допомогою просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку.

У дисертації розроблений новий метод введення зворотного зв'язку - просторовий електромеханічний негативний зворотний зв'язок, який вводиться по допоміжному каналу за допомогою просторово розташованих електродів або додаткових п'єзоелементів, які розташовані планарно або компланарно з основним п'єзоелементом.

Обгрунтований та експериментально перевірений рівень зворотного зв'язку, який дозволяє підвищувати точність, розширювати у декілька разів робочу смугу частот, а також збільшувати температурну та часову стабільність п'єзокерамічних перетворювачів тиску.

Розроблені та вивчені структурні схеми та передаточні функції мономорфних, біморфних і планарних та компланарних триморфних симетричних та асиметричних ППТ із ПЗ, що дозволяє оцінювати та прогнозувати статичні та динамічні характеристики п'єзоперетворювачів із ПЗ при їх проектуванні.

Отримані аналітичні вирази для розрахунку чутливостей ланцюгів прямої передачі та зворотного зв'язку триморфних п'єзокерамічних перетворювачів тиску зі зворотним зв'язком, що дозволяє розраховувати чутливість таких п'єзоперетворювачів.

Досліджені розподіли механічних напруг при механічних, електричних, а також їх спільному впливах.

Мусиенко М.П. Полиморфные пьезокерамические преобразователи давления с пространственной электромеханической отрицательной обратной связью. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05. - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 2001.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию пьезокерамических преобразователей давления с помощью пространственной электромеханической отрицательной обратной связью.

В диссертации разработан новый метод введения обратной связи – пространственная электромеханическая отрицательная обратная связь (ПС), вводимая по вспомогательному каналу с помощью пространственно расположенных электродов или дополнительных пьезоэлементов, расположенных планарно или компланарно с основным пьезоэлементом.

Обоснован и экспериментально проверен уровень вводимой отрицательной обратной связи, который позволяет повышать точность, увеличивать в несколько раз рабочую полосу частот, а также увеличивать температурную и временную нестабильность пьезокерамических преобразователей давления (ППД). Установлено, что минимальному значению относительной погрешности ППД соответствует такой режим работы пьезопреобразователя с ПС, при котором произведение коэффициента передачи цепи прямого преобразования, охваченного обратной связью, на коэффициент передачи цепи обратной связи равно единице.

Разработаны и исследованы структурные схемы и передаточные характеристики мономорфных, биморфных и планарных и компланарных триморфных симметричных и асимметричных ППД с ПС, которые позволяют оценивать и прогнозировать статические и динамические характеристики пьезопреобразователей с обратной связью при их проектировании.

В результате анализа моделей и экспериментального исследования круглых планарных и компланарных триморфных ППД с ПС было установлено, что ПС линеаризирует частотную характеристику и, следовательно, расширяет в несколько раз частотный диапазон преобразователя, уменьшает постоянную времени переходного процесса, увеличивает коэффициент затухания колебательного процесса, а также подавляет резонансные и создает или усиливает дифференцирующие свойства таких преобразователей.

Получены аналитические выражения расчета чувствительностей цепей прямой передачи и обратной связи ППД с ПС, которые позволяют рассчитывать чувствительность таких пьезопреобразователей.

В диссертационной работе изучались пьезопреобразователи с обратной связью, где в качестве согласующих усилителей использовались как усилители напряжения, так и усилители заряда. Показано, что для уменьшения погрешностей в схемах пьезопреобразователей с усилителями заряда можно использовать в качестве конденсатора обратной связи дополнительный пьезоэлемент, параметры которого соответствуют параметрам основного пьезоэлемента, и который располагается на нем компланарно.

Для компьютерного моделирования пьезопреобразователей с обратной связью использовался пакет программ Mathcad 7.0. Анализ показал, что для увеличения полосы пропускания необходимо увеличивать значения сопротивлений и емкостей пьезоэлемента, а также входных и выходных сопротивлений усилителя. Кроме того, было показано, что пьезокерамические преобразователи с обратной связью являются устойчивыми системами.

В диссертационной работе также исследованы распределения механических напряжений в пьезопреобразователях, возникающие при воздействии механических усилий и электрических полей, а также при их совместном воздействии. Было установлено, что большей жесткости материала образца соответствует большая однородность возникающих в образце механических напряжений, и наоборот. Существенное влияние на распределение механических напряжений в объеме пьезоэлемента при воздействии электрических полей оказывает форма и пространственное расположение электродов. Также было показано, что в зоне воздействия электрических полей неравномерности механических напряжений, которые создаются механическим усилием, уменьшаются.

В работе были проведены экспериментальные исследования пьезокерамических преобразователей с пространственной электромеханической обратной связью, в ходе которых установлено, что введение отрицательной обратной связи приводит к существенному снижению температурной нестабильности (по крайней мере, в 5-6 раз). Также установлено, что при приближении рабочей частоты пьезопреобразователя к резонансной, значение температурной нестабильности увеличивается. Был показан нелинейный характер зависимости температурных нестабильностей как при нагревании, так и при охлаждении пьезоэлемента. Кроме того, установлено, что характер изменения температурной нестабильности зависит от способа нагревания пьезокерамического преобразователя (всестороннее нагревание пьезоэлемента через окружающую среду или нагревание одной стороны пьезоэлемента с помощью передачи тепла от объекта, к которому прикреплен пьезоэлемент), а также, что на значения и характер изменения температурной нестабильности оказывает влияние теплопроводность материала объекта, к которому прикреплен пьезоэлемент.

Также экспериментально было установлено, что ПС увеличивает в 5-10 раз временную стабильность ППД.

Musienko M.P. Polimorph piezoceramic converters of pressure with a spatial electromechanical negative feedback. - Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of candidate of engineering science on a speciality 05.13.05.- Elements and devices of computer facilities and control systems. Odessa State Polytechnical University, Odessa, 2001.

The thesis is devoted to perfection polimorph piezoceramic converters with the help of a spatial electromechanical negative feedback.

In the dissertation the new method of introduction of a feedback - spatial electromechanical negative feedback (SB) entered on the auxiliary channel with the help spatially of located electrodes or additional piezoelements, located planar or complanar with basic piezoelement is developed.

Is reasonable and experimentally level of an entered negative feedback is checked up which allows to raise accuracy piezoceramic converters of pressure (PCP) to increase in a some times working strip of frequencies, and also to increase temperature and temporary instability.

The block diagrams and gear characteristics monomorph, bymorph and planar and complanar threemorph symmetric and asymmetric PCP with SB are developed and are investigated which allow to estimate and to predict static and dynamic characteristics piezoconverter with a feedback with their designing.

The analytical expressions of account of sensitivity of sites of a circuit of direct transfer and feedback PCP with SB are received which allow to expect sensitivity such piezoconverter.

The distributions of mechanical pressure in piezoconverter, arising are investigated with influence of mechanical efforts and electrical fields, and also with their joint influence.