одеський національний політехнічний УНіВЕРСИТЕТ

Балковська Юлія Юріївна

УДК 621.3.537.228.1

Методи лінеаризації амплітудно-частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин

05.13.05 - Елементи та пристрої

обчислювальної техніки та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Шарапов Валерій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри комп’ютеризованих та інформаційних технологій у приладобудуванні.

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Куценко Альфред Миколайович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри фізики;

кандидат технічних наук, доцент Нікольський Віталій Валентинович, Одеська національна морська академія, доцент кафедри теорії автоматичного керування та обчислювальної техніки;

Провідна установа Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматики і інформаційно-вимірювальної техніки, м. Вінниця.

Захист відбудеться “11” грудня 2003 р. о 13.30 год. в ауд. 400-А на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “ 8 ” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ямпольський Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена подальшому вдосконаленню та створенню нових елементів і пристроїв для систем керування та обчислювальної техніки, зокрема, п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин.

Розвиток систем керування підвищив вимоги, які ставляться до перетворювачів фізичних величин. Виникла необхідність створення нових перетворювачів та зросли вимоги до вже відомих.

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

Протягом останніх десятиріч досягнутий певний прогрес у даній області та, як наслідок, було створено значну кількість різних типів п’єзоелектричних перетворювачів, які використовуються для систем керування та навігації надводних та підводних човнів, в електроакустиці, вимірювальній та медичній техніці та ін.

Параметрами перетворювача, які у багатьох випадках мають найбільш суттєве значення, є його чутливість, робочий частотний діапазон та похибка вимірювання фізичної величини.

Робочий частотний діапазон п’єзоелектричного перетворювача зверху обмежений резонансною частотою, і його розширення можливе шляхом придушення цього резонансу, тобто шляхом лінеаризації його амплітудно–частотної характеристики (АЧХ). Тому розробка методів лінеаризації АЧХ п’єзоелектричних перетворювачів є досить актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до прикладних держбюджетних науково–дослідних робіт "Створення континуальних механіко–математичних моделей і основ аналізу функціональних параметрів і синтезу п’єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу, у тому числі з аморфними й алмазоподібними плівками" (держ. реєстр. № U004418) і "Розробка методів синтезу п’єзокерамічних перетворювачів статичних та динамічних тисків і лінійних та вібраційних прискорень із заданими характеристиками" (держ. реєстр. № 103U003690)

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка методів лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин для створення на цій основі пристроїв систем керування з високими якісними та експлуатаційними показниками.

Для досягнення поставленої мети дослідження були вирішені такі задачі:

1. Проаналізовані відомі методи лінеаризації АЧХ п’єзоелектричних перетворювачів.

2. Розроблений метод лінеаризації АЧХ п’єзоелектричних перетворювачів за допомогою електричного негативного зворотного зв’язку (НЗЗ).

3. Розроблені та досліджені фізичні та математичні моделі п’єзоперетворювачів з п’єзоелементом у ланцюгу зворотного зв’язку (ЗЗ).

4. Розроблені та досліджені фізичні та математичні моделі симетричних і асиметричних біморфних п’єзоперетворювачів і на цій основі запропоновані конструктивні методи лінеаризації амплітудно–частотних характеристик цих перетворювачів.

5. Розроблений метод лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів шляхом їхнього електричного демпфірування, у тому числі, за рахунок збільшення внутрішнього тертя перетворювача.

Об’єкт дослідження – п’єзоелектричні перетворювачі механічних величин.

Предмет дослідження – методи лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин.

Методи дослідження. Для розв’язання поставленої задачі використовувалися методи теорії коливань, теорії ланцюгів, електропружності, теорії автоматичного керування, математичної статистики, методи електромеханічних аналогій, експериментальні дослідження зразків і комп’ютерне моделювання.

Вірогідність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними і залежностями, виготовленням досліджуваних зразків та їхніх випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше для лінеаризації амплітудно-частотних характеристик п’єзоперетворювачів запропоновано використовувати електричний зворотний зв’язок, для чого побудовані та досліджені фізичні та математичні моделі перетворювачів, у ланцюг негативного зв’язку яких включений коригуючий елемент із передатною характеристикою, еквівалентною передатній характеристиці п’єзоперетворювача–сенсора.

2. Вперше побудовані та досліджені фізичні та математичні моделі симетричних біморфних п’єзокерамічних перетворювачів з п’єзоелементами різної товщини, що дозволило лінеаризувати АЧХ цих перетворювачів.

3. Вперше для лінеаризації амплітудно–частотної характеристики використане електричне демпфірування за допомогою додаткового резистора, включеного послідовно з п’єзоелементом, і одночасного включення п’єзоелемента і резистора в ланцюг негативного зворотного зв’язку.

4. Вперше для лінеаризації амплітудно–частотної характеристики використане електричне демпфірування за рахунок збільшення внутрішнього тертя п’єзоелемента при розташуванні електродів на п’єзоелементі таким чином, щоб вектор напруженості електричного поля вихідного сигналу створював з вектором поляризації кут від 0 до 900.

Наукова й інженерно–технічна новизна результатів і досліджень підтверджується публікаціями і патентами України.

Практична цінність отриманих результатів полягає в такому:

1. Розроблені методи, схемні та конструктивні рішення розширили науково–технічну базу для проектування п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин.

2. Розроблені методи лінеаризації АЧХ дозволяють розширити робочий частотний діапазон п’єзоперетворювачів.

3. Досліджені перетворювачі використовуються в промисловості, зокрема, у НВК "Фотоприлад" та ВАТ "Укрп’єзо" м. Черкаси, а також у навчальному процесі в курсі дисципліни "Перетворюючі пристрої приладів" у Черкаському державному технологічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто проведений патентно–інформаційний пошук та обрані методи теоретичних і експериментальних досліджень. За результатами досліджень опубліковані 3 індивідуальні роботи [6, , ] та 19 робіт у співавторстві, у тому числі 5 патентів України на винаходи. У працях із співавторами автор запропонувала ідею методу лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоперетворювачів за допомогою електричного зворотного зв’язку і провела експериментальні дослідження [1, , , , ]. Автор розрахувала оптимальне співвідношення товщин п’єзоелементів та запропонувала схему їхнього включення в симетричних біморфних перетворювачах, що дозволило лінеаризувати АЧХ цих перетворювачів [3, , ]. Довела можливість розширення робочого частотного діапазону п’єзоперетворювачів при зменшенні добротності й одночасному включенні перетворювача та резистора в ланцюг НЗЗ [2, , , , ]. Розрахувала значення опору додаткового резистора, включення якого послідовно з п’єзоелементом дозволяє лінеаризувати АЧХ перетворювача [2, , ]. Побудувала і дослідила математичні моделі п’єзоелектричних перетворювачів з електричним негативним зворотним зв’язком [11, , ]. Запропонувала конструктивні та схемні рішення асиметричних біморфних п’єзоперетворювачів і експериментально довела, що їхнє використання дозволяє розширити робочий частотний діапазон цих перетворювачів, підвищити їхню чутливість [8–10, –15, ]. Запропонувала ідею включення в ланцюг НЗЗ послідовно з п’єзоперетворювачем коригуючих елементів та експериментально довела, що таке схемне рішення приводить до лінеаризації АЧХ перетворювачів [2, ]. Запропонувала форму і новий спосіб розташування електродів на п’єзоелементі асиметричного біморфного перетворювача з метою лінеаризації АЧХ та теоретично обґрунтувала запропоновану ідею [5].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 7 науково–технічних міжнародних і республіканських конференціях: VІ Міжнародній конференції „КУСС–2001” (Вінниця, 2001); науково–технічній конференції “Приладобудування 2002: підсумки і перспективи” (Київ, 2002); 1–му Міжнародному радіоелектронному Форумі “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ – 2002 (Харків, 2002); Міжнародній науково–технічній конференції “Приборостроение–2002” (Вінниця–Алупка, 2002), ІІ–й науково–технічній конференції “Приладобудування 2003: підсумки і перспективи” (Київ, 2003); Міжнародній науково–технічній конференції “АВИА–2003” (Київ, 2003); Міжнародній науково–практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи автоматизації виробничих процесів” (Хмельницький, 2003).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 22 основних наукових працях, в тому числі в:

- 10 статтях у журналах і збірниках наукових праць, затверджених ВАК України:

·

·

·

- 7 доповідях і тезах на науково–практичних і міжнародних конференціях;

- 5 патентах України на винаходи

Отримані також ще 10 рішень на видачу патентів України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (117 джерел) і 3 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 142 сторінки, з них 127 сторінок основного тексту. Робота містить 67 рисунків, 2 таблиці.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтована актуальність напрямку дослідження, сформульовані мета і задачі дослідження, відображені наукова новизна і практична цінність роботи, наведені дані про апробацію, публікації та впровадження результатів дослідження.

У першому розділі проведений аналіз відомих методів лінеаризації амплітудно–частотних характеристик перетворювачів, а також аналіз переваг і недоліків п’єзоелектричних перетворювачів, які використовуються у системах керування, обчислювальній техніці й вимірювальних пристроях різних фізичних величин.

Встановлено, що робочий частотний діапазон обмежений зверху резонансною частотою, тому роботи з лінеаризації АЧХ перетворювачів досить актуальні. Відомий метод розширення робочого частотного діапазону за допомогою механічного демпфірування призводить до значного збільшення вагогабаритних характеристик перетворювачів, а метод лінеаризації АЧХ за допомогою електромеханічного зворотного зв’язку не завжди може бути застосований.

В другому розділі були побудовані та досліджені фізичні та математичні моделі п’єзоперетворювачів з електричним негативним зворотним зв’язком (рис. 1). При використанні такого зворотного зв’язку електрична напруга п’єзоелемента сумується на вході підсилювача А з електричною напругою зворотного зв’язку (на відміну від перетворювачів з електромеханічним зворотним зв’язком, в яких механічні напруги прямого перетворення та ЗЗ сумуються в об’ємі п’єзоелемента).

Спрощена структурна схема перетворювача з електричним негативним зворотним зв’язком показана на рис. 2.

Рис. 1. Схема перетворювача з електричним негативним зворотним зв’язком:

ПЕ – п’єзоелемент-сенсор;

– ланцюг зворотного зв’язку; А – підсилювач

Рис. 2. Структурна схема перетворювача з електричним НЗЗ

Для цієї схеми можна записати:

(1)

де КОС (р) – коефіцієнт передачі перетворювача з НЗЗ; КПЕ (р) – коефіцієнт перетворення п’єзоелемента перетворювача (п’єзоелемента–сенсора); КУС – коефіцієнт підсилення підсилювача; (р) – коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв’язку.

При (2)

(3)

Лінеаризації АЧХ можна досягти за умови const.

В окремому випадку . (4)

З умови (4) випливає, що в ланцюг зворотного зв’язку необхідно включити елемент, амплітудно–частотна і фазочастотна характеристики якого ідентичні відповідним характеристикам п’єзоелемента–сенсора. Як з’ясувалося, таким елементом є п’єзотрансформатор, виготовлений з п’єзоелемента з такими ж розмірами і з такого ж матеріалу, що і п’єзоелемент–сенсор.

Досліджена також схема перетворювача, у якій п’єзоелемент–сенсор включений у ланцюг ЗЗ підсилювача.

Для цього перетворювача можливі два режими роботи: режим роботи з підсилювачем напруги і режим роботи з підсилювачем заряду. Показано, що при роботі з підсилювачем напруги лінеаризації АЧХ можна досягти за умови, коли , а у випадку, коли , чутливість перетворювача дорівнює чутливості п’єзоелемента без підсилювача. Аналогічний результат отриманий для режиму роботи перетворювача з підсилювачем заряду.

Крім того, в цьому розділі був проведений аналіз схем п’єзоелектричних перетворювачів за допомогою комп’ютерного моделювання в програмах MathCAD 7.0 та Electronics Workbench V5.12, у результаті якого було встановлено, що для збільшення смуги пропускання необхідно збільшувати значення опорів і ємностей п’єзоелемента, а також вхідних і вихідних опорів підсилювача. Результати дослідження стійкості п’єзоперетворювачів з ЗЗ за критерієм Найквіста показали, що п’єзоелектричні перетворювачі з негативним зворотним зв’язком є стійкими системами.

В третьому розділі була досліджена можливість лінеаризації АЧХ симетричних та асиметричних п’єзоелектричних перетворювачів.

Симетричні біморфні перетворювачі являють собою з’єднані жорстко за допомогою клею або низькотемпературного припою два поляризовані п’єзоелементи. Відомі дві схеми з’єднання п’єзоелементів у перетворювачі: послідовна та паралельна. Для забезпечення максимальної чутливості ці перетворювачі виготовляються з пластин однакових розмірів і однакової товщини. Відомо також, що при однакових розмірах п’єзоелементів чутливість по напрузі й опір перетворювача за паралельною схемою в чотири рази менші, ніж за послідовною. Встановлено, що чутливість п’єзоелементів, які входять у біморф, зростає зі зменшенням їхньої товщини.

Розроблено метод лінеаризації АЧХ симетричних біморфних перетворювачів, у якому використовується послідовна схема з’єднання п’єзоелементів, проте п’єзоелементи включені зустрічно і мають різну товщину (рис. 3). Для зустрічного послідовного включення при рівності чутливостей окремих елементів сумарна чутливість біморфного перетворювача дорівнює нулю. Якщо ж товщини п’єзоелементів не однакові, не рівні їхні чутливості та сумарна чутливість буде дорівнювати різниці чутливостей окремих елементів, причому АЧХ такого перетворювача виявляється лінійною в широкому діапазоні частот.

а) б)

Рис. 3. Конструкція (а) та схема з’єднання п’єзоелементів (б) в симетричному біморфному перетворювачі

Для розрахунку параметрів біморфних перетворювачів з п’єзоелементами різної товщини використана відома методика порівнювальної оцінки значень ефективного та статичного коефіцієнтів електромеханічного зв’язку.

Отримані вирази для коефіцієнта електромеханічного зв’язку дозволяють оцінювати чутливість перетворювачів, які складаються з двох п’єзоелементів різної товщини.

Експериментально отримані характеристики зображені на рис. . Криві 1 та 2 відповідають АЧХ п’єзоелементів товщиною 0,3 та 0,8 мм відповідно; а крива 3 – АЧХ біморфного перетворювача. Як показали експерименти, такий ефект спостерігається при відношенні товщин п’єзоелементів, обраних з умови .

Рис. . АЧХ симетричного біморфного п’єзоперетворювача:

1 – п’єзоелемента товщиною 0,3 мм; 2 – п’єзоелемента товщиною 0,8 мм;

3 – біморфного перетворювача

Різницевий сигнал можна отримати також, використовуючи в симетричному біморфному перетворювачі зустрічно включені п’єзоелементи однакових розмірів, але виготовлені з п’єзокерамічних матеріалів з різними п’єзомодулями та маючі відповідно різну чутливість. Конструкція такого перетворювача зображена на рис. 5. Як показали експерименти, АЧХ такого перетворювача також є лінійною.

Рис. 5. Симетричний біморфний перетворювач з п’єзоелементами з різних п’єзокерамік

Асиметричні біморфні перетворювачі відрізняються більш простою технологією виготовлення, більшою механічною міцністю і складаються з металевої пластини з приклеєним до неї поляризованим по товщині плоским п’єзоелементом (рис. 6).

Рис. 6. Асиметричний біморфний перетворювач

Для цих біморфних перетворювачів ми використали той факт, що при згині різні частини п’єзоелемента відчувають деформацію різного рівня, тому, розділивши електроди на п’єзоелементі відповідним чином або використовуючи п’єзоелементи відповідної форми, ми можемо отримати різницевий сигнал або сигнал відношень з лінійною АЧХ.

Математична модель для оцінки чутливості й інших динамічних характеристик перетворювача такого типу побудована за методикою, запропонованою в спільній роботі Н.А. Шульги та В.М. Шарапова

Вираз для безрозмірної чутливості для досліджуваного перетворювача має вигляд:

M =, (5)

де Vx =(u(R) – hp(г0 – 1/2) (R)) – різниця потенціалів; – оператор Лапласа; – п’єзомодуль; – радіус пластини; – товщина пластини; – коефіцієнт Пуассона; – податливість; – статичний планарний коефіцієнт електромеханічного зв’язку; – безрозмірні переміщення, віднесені до радіуса.

Вираз (5) не дає, проте, інформації про розподіл деформації й електричного потенціалу по радіусу перетворювача, тому ця інформація була отримана експериментально.

Для експериментів використовувався біморфний перетворювач, зовнішній електрод п’єзоелемента якого поділявся на квадрати 4х4 мм (рис. 7). Перетворювач встановлювався в акустичну камеру, у якій створювався звуковий тиск 10Па (114 дБ) на частоті 100 Гц. Як видно з цього рисунка, у центральній частині перетворювача генерується більш високий потенціал. На підставі цього ми зробили висновок, що для одержання різницевого сигналу можна виконати один з електродів у центрі п’єзоелемента, а другий – на периферії, при цьому АЧХ такого перетворювача може бути лінійною.

Рис. 7. Розподіл потенціалу по діаметру перетворювача:

а) конструкція перетворювача; б) розподіл потенціалу U по діаметру п’єзоелемента

На рис. 8 зображені варіанти реалізації цієї ідеї. На рис. 8, а – перетворювач, у якого електроди (3 і 4) виконані у вигляді напівдисків, а на рис. 8, б – перетворювач з електродами у вигляді диска і кільця. АЧХ відомого раніше перетворювача, у якого електроди 3 і 4 були з’єднані разом, має резонанс ~ 2,5 кГц (крива 1 рис. 9). АЧХ запропонованих нами перетворювачів практично є лінійною (крива 2 цього ж рисунка).

Рис. 8. Біморфні асиметричні п’єзоперетворювачі:

а) з електродами у вигляді напівдисків;

б) з електродами у вигляді диска та кільця

Рис. 9. АЧХ відомого перетворювача (крива ) та

АЧХ перетворювача, запропонованого на рис. 8 (крива 2)

У четвертому розділі досліджувалася можливість лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоперетворю-вачів за допомогою електричного демпфірування. Аналіз п’єзоелектричних перетворювачів може бути проведений різними методами. У найпростішому випадку, перетворювач можна представити як систему із зосередженими параметрами. В більш складному випадку необхідно спільне рішення диференційних рівнянь та точне рішення задачі коливань. Проте найбільш наочним та ефективним є розгляд електричної еквівалентної схеми перетворювача, що дозволяє застосувати для аналізу добре розроблені методи радіотехніки та теорії ланцюгів. Як відомо, п’єзоелектричний перетворювач може бути представлений еквівалентним послідовним коливальним контуром. Коливальні контури вивчені в радіотехніці та теорії ланцюгів. Відомо, що зі зменшенням добротності АЧХ контуру стає більш лінійною.

Значення ступеня заспокоєння системи =0,707 відоме в радіотехніці як таке, що характеризує перехід коливального контуру в аперіодичний ланцюг. Використовуючи залежність добротності системи від ступеня заспокоєння , де – відповідно резонансна частота та індуктивність і опір контуру на резонансній частоті, ми визначили величину опору додаткового резистора, який необхідно включити послідовно з перетворювачем для отримання добротності, рівної 0,707, та лінійної АЧХ: .

Проте необхідно відзначити, що приведені вище моделі не цілком адекватні п’єзоелектричному перетворювачу. Зокрема, наприклад, не врахована поява обертонних частот. Останнє призводить до підйому АЧХ реального перетворювача при > 0,5.

На рис. зображені експериментальні амплітудно–частотні характеристики для п’єзоелектричного перетворювача при включенні послідовно з ним різних активних опорів.

Рис. 10. АЧХ п’єзоелектричного перетворювача при: 1 – RДОД = 0;

2 – RДОД = 8,2 кОм; 3 – RДОД = 36 кОм

Запропоновано також для лінеаризації АЧХ п’єзоперетво-рювача використати одночасно лінеаризуючі властивості зворотного зв’язку та електричне демпфірування. Схема запропонованого пристрою наведена на рис. , а експериментальні АЧХ без додаткового резистора та з додатковим резистором в ланцюгу ЗЗ на рис. .

Рис. 11. Схема п’єзоелектричного перетворювача

Рис.12. АЧХ п’єзоперетворювача: а) без додаткового резистора;

б) з резистором в ланцюгу ЗЗ

АЧХ п’єзоелектричного перетворювача може бути лінеаризована також за рахунок збільшення власного опору п’єзоелемента перетворювача (внутрішнього тертя). Для перетворювачів механічних величин це досягається тим, що електроди на п’єзоелементі розташовують таким чином, щоб вектор напруженості електричного поля вихідного сигналу створював з вектором поляризації кут , причому (рис. ).

Рис. 13. Біморфний п’єзоперетворювач:

ПЕ – п’єзоелемент, ДП - діелектрична пластина

Причина зміни власного опору пов’язана, скоріш за все, із впливом впорядкованої доменної структури поляризованої п’єзокераміки на рух носіїв заряду. Ефект анізотропії п’єзокераміки може бути використаний в двох типах перетворювачів: в перетворювачах механічних величин на прямому п’єзоефекті та в перетворювачах електричної напруги одного рівня в напруги іншого рівня – п’єзотрансформаторах.

Фізика процесів, які відбуваються у запропонованих перетворювачах, до кінця не зрозуміла, тому їх характеристики були досліджені експериментально.

Результати експериментів подані в табл. та на рис. .

Таблиця 1

Вплив кута на активний опір та електричну ємність між електродами

(1–1’), (1–2’) та (1–2)

1–1’ | 1–2’ | 1–2 | R, кОм | 6,3 | 169 | 172 | С, пФ | 3210 | 107 | 109 | , | 0 | 82,3 | 90 |

Рис. 14. АЧХ біморфного п’єзоперетворювача

Як видно з рисунка, вибором кута між вектором напруженості електричного поля вихідного сигналу та вектором поляризації вдалося отримати практично лінійну АЧХ.

Висновки

Основні результати дисертаційної роботи такі:

1. Проведені дослідження, спрямовані на удосконалення п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин, які використовуються у системах автоматичного керування, обчислювальній техніці, приладобудуванні, а також у вимірювальній техніці, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні та достовірні методи досліджень. Розроблені методи і пристрої використовуються в промисловості й у навчальному процесі.

2. Розроблені методи, схемні та конструктивні рішення розширили науково–технічну базу для проектування п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин з поліпшеними характеристиками.

3. В результаті дослідження структурних схем і передатних характеристик, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів встановлено, що лінеаризації амплітудно–частотних характеристик (АЧХ) п’єзоелектричних перетворювачів можна досягти при введенні в ланцюг електричного зворотного зв’язку п’єзоелектричного перетворювача елемента, коефіцієнт передачі якого дорівнює коефіцієнту передачі п’єзоелемента–сенсора.

4. В результаті дослідження структурних схем і передатних характеристик, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів з п’єзоелементом в ланцюгу зворотного зв’язку підсилювача встановлено, що:

- лінеаризації амплітудно частотної характеристики такого перетворювача можна досягти за умови, якщо ;

- у випадку, коли чутливість перетворювача дорівнює чутливості п’єзоелемента без підсилювача.

5. У результаті аналізу схем п’єзоелектричних перетворювачів за допомогою комп’ютерного моделювання було встановлено, що:

- для збільшення смуги пропускання в області низьких частот необхідно збільшувати значення опорів і ємностей п’єзоелемента, а також вхідних і вихідних опорів підсилювача;

- п’єзоелектричні перетворювачі з негативним зворотним зв’язком є стійкими системами.

6. В результаті дослідження математичних моделей і експериментальних досліджень симетричних біморфних перетворювачів встановлено, що лінеаризації АЧХ цих перетворювачів можна досягти:

- при використанні п’єзоелементів різної товщини та їхньому зустрічному включенні;

- при використанні п’єзоелементів однакової товщини, включених зустрічно і виготовлених з п’єзокерамік з різними п’єзомодулями.

7. В результаті експериментальних досліджень асиметричних біморфних перетворювачів встановлено, що лінеаризації амплітудно–частотних характеристик цих перетворювачів можна досягти:

- при розділі одного з електродів п’єзоелемента на дві частини у вигляді диска і кільця та підключенні їх до входу диференціюючого підсилювача;

- при розділі одного з електродів п’єзоелемента на дві частини у вигляді двох напівдисків та підключенні їх до входу подільника напруги.

8. Розроблено метод електричного демпфірування перетворювачів, в результаті якого лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоперетворювача можна досягти:

- при зменшенні його добротності шляхом включення послідовно з ним активного опору;

- при зменшенні його добротності шляхом збільшення активного внутрішнього опору (внутрішнього тертя) п’єзоелемента, що досягається розташуванням електродів на п’єзоелементі таким чином, щоб вектор напруженості електричного поля вихідної напруги створював з вектором поляризації кут ;

- при одночасному зменшенні добротності та включенні перетворювача в ланцюг негативного зворотного зв’язку.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Линеаризация амплитудно–частотной характеристики пьезоэлектрических преобразователей с мономорфным или биморфным чувствительным элементом // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № . – С. 41–45.

2. Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Расширение рабочего диапазона частот пьезокерамических преобразователей с обратной связью // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № – С. –83.

3. Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю. Симметричный биморфный пьезокерамический преобразователь с линейной амплитудно–частотной характеристикой // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № . – C. –46.

4. Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю. Методы линеаризации АЧХ пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № . – C. 69–73.

5. Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Об одном методе линеаризации АЧХ биморфных пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – № . – C. 14–18.

6. Балковская Ю.Ю. Линеаризация АЧХ симметричных биморфных пьезокерамических преобразователей // Оптимизация производственных процессов. – Севастополь: СевГТУ. – 2002. – №6. – C. 56–59.

7. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезодатчики контрольно–измерительных систем // Вісник Технологічного університету Поділля – Т. : Технічні науки. – Хмельницький. – 2003. – С. 149–152.

8. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Ротте С.В., Балковская Ю.Ю. Исследование прямоугольных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник Черкаського інженерно–технологічного інституту. – 2001. – №2. – С. –22.

9. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Ротте С.В., Балковская Ю.Ю., Дифучин Ю.Н. Исследование треугольных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник Черкаського інженерно–технологічного інституту. – 2000. – №4. – C. –43.

10. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Ротте С.В., Балковская Ю.Ю., Дифучин Ю.Н. Исследование круглых и овальных асимметричных биморфных пьезоэлектрических преобразователей // Вісник Черкаського інженерно–технологічного інституту. – 2001. – .№1. – С. 45–49.

11. Пат. № 55806 А Україна МПК G01P1/09 П’єзоелектричний перетворювач механічних величин/ Балковська Ю.Ю. – № ; Заявл. 27.06.2002; Опубл. 15.04.2003. Бюл. № 4. – 12 с.

12. Пат. № 55803 А Україна МПК G01P1/09 П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Балковська Ю.Ю., Мусієнко М.П., Шарапова О.В.– № ; Заявл. 27.06.2002; Опубл. 15.04.2003. Бюл. № . –11 с.

13. Пат. № 52302 А МПК Україна H04R17/00, B06B1/06 П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № ; Заявл. 04.04.2002; Опубл. 16.12.2002. Бюл. №12. – 11 с.

14. Пат. № 52307 А Україна МПК H04R17/00, B06B1/06 П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № ; Заявл. 05.04.2002; Опубл. 16.12.2002. Бюл. №12. – 11 с.

15. Пат. № 54298 А Україна МПК H04R17/00, B06B1/06 Електроакустичний перетворювач / Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № ; Заявл. 15.07.2002; Опубл. 17.02.2003. Бюл. №2. – 9 с.

16. Балковская Ю.Ю. Об одном методе расширения рабочего частотного диапазона пьезокерамических преобразователей // Сборник трудов Межд. НТК “Приборостроение–2002”, Винница–Алупка. – 2002. – С. –229.

17. Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. О линеаризации амплитудно–частотной характеристики пьезоэлектрических преобразователей // Сборник трудов Межд. НТК “Приборостроение–2002”. – Винница–Алупка. – 2002. – С. –224.

18. Мусиенко М.П., Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Доменно–угловой диссипативный пьезокерамический преобразователь // Праці ІІ–ї НТК “Приладобудування 2003: підсумки і перспективи”. – Київ. – 2003. – С. –93.

19. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи для авиационных информационно–измерительных систем // Інформаційно-діагностичні системи: Мат. V Міжн. НТК “АВІА-2003”. – Т.1. -К.: НАУ, 2003. – С. .13-11.17.

20. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Роттэ С.В., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи физических величин // Сборник науч. трудов по матер. 1–го Международ. радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (МРФ – 2002).– Ч.2. – Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. – 2002. – С. –485.

21. Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Ротте С.В. Полиморфные пьезокерамические преобразователи с пространственной электромеханической обратной связью // Матеріали VІ Міжн. конф. „Контроль і Керування в складних системах (КУСС–2001)”.–Вінниця: УНІВЕРСУМ.–2001.–С.117.

22. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Ротте С.В. Синтез пьезоэлектрических преобразователей механических величин // Тези доповідей НТК “Приладобудування 2002: підсумки і перспективи”. – К.: НТУУ „КПІ”. – 2002. – С. 105–106.

Отримані також ще 10 рішень про видачу патентів України.

Балковська Ю.Ю. Методи лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05.– Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена розробці методів лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин і створенню на цій основі пристроїв систем керування з високими якісними та експлуатаційними показниками. У дисертаційній роботі розроблений новий метод зворотного зв’язку – електричний негативний зворотний зв’язок (НЗЗ), який дозволяє лінеаризувати амплітудно–частотну характеристику перетворювача. Досліджена схема, в якій п’єзоелемент–сенсор включений у ланцюг негативного зв’язку підсилювача. Визначені режим роботи для лінеаризації АЧХ перетворювача та режим роботи, при якому чутливість перетворювача дорівнює чутливості п’єзоелемента без підсилювача. Запропоновано конструктивні методи лінеаризації АЧХ симетричних і асиметричних біморфних перетворювачів. Вперше для лінеаризації АЧХ застосоване електричне демпфірування одночасно із застосуванням зворотного зв’язку, а також за рахунок збільшення внутрішнього тертя п’єзоелемента.

Ключові слова: лінеаризація, амплітудно–частотна характеристика, п’єзоелектричний перетворювач, електричний зворотний зв’язок, чутливість, електричне демпфірування.

Балковская Ю.Ю. Методы линеаризации амплитудно–частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей механических величин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05.– Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена разработке методов линеаризации амплитудно–частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей механических величин и созданию на этой основе устройств систем управления с высокими качественными и эксплуатационными показателями.

В диссертационной работе разработан новый метод обратной связи – электрическая отрицательная обратная связь (ООС), который основан на введении в цепь обратной связи преобразователя пьезотрансформатора с частотными и фазовыми характеристиками, идентичными характеристикам пьезоэлемента–сенсора в цепи прямого преобразования. Метод позволяет линеаризировать амплитудно–частотную характеристику преобразователя.

Исследована схема преобразователя с пьезоэлементом в цепи отрицательной связи усилителя. Изучены режимы работы преобразователя с усилителями напряжения и усилителями тока. Показано, что при работе с усилителем напряжения линеаризации АЧХ можно достичь при условии, когда , а в случае, когда , чувствительность преобразователя равна чувствительности пьезоэлемента без усилителя. Аналогичный результат получен для режима работы преобразователя с усилителем заряда.

Исследованы конструктивные особенности симметричных и асимметричных биморфных пьезопреобразователей. Предложены методы линеаризации АЧХ симметричных биморфных преобразователей за счет использования встречно включенных пьезоэлементов разной толщины и за счет использования для изготовления пьезоэлементов одинаковой толщины пьезокерамических материалов с разными чувствительностями. Теоретически обосновано и подтверждено экспериментально соотношение толщин пьезоэлементов в преобразователе, позволяющее получить преобразователь с линейной АЧХ. В результате экспериментальных исследований асимметричных биморфных преобразователей установлено, что линеаризации амплитудно–частотных характеристик этих преобразователей можно достичь при делении одного из электродов пьезоэлемента на две части в виде диска и кольца и подключении их к входу усилителя, а также при делении одного из электродов пьезоэлемента на две части в виде двух полудисков и подключении их к входу делителя напряжения.

Впервые для линеаризации АЧХ применено электрическое демпфирование одновременно с использованием обратной связи. Рассчитано оптимальное сопротивление добавочного резистора, включение которого последовательно с пьезоэлементом в цепь обратной связи приведет к линеаризации АЧХ преобразователя.

Впервые с целью линеаризации АЧХ пьезопреобразователей предложен метод электрического демпфирования за счет увеличения внутреннего трения пьезоэлемента, которое достигается расположением электродов на пьезоэлементе так, чтобы вектор напряженности электрического поля выходного сигнала создавал с вектором поляризации угол от 0 до 90.

Для компьютерного моделирования пьезопреобразователей с обратной связью использовались пакеты программ MathCAD 7.0 и Electronics Work-bench V5.12. 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 пьезоэлектрические преобразователи с обратной связью являются устойчивыми системами.

Для решения поставленных задач использовались методы теории колебаний, теории цепей, электроупругости, теории автоматического управления, математической статистики, методы электромеханических аналогий, экспериментальные исследования образцов и компьютерное моделирование.

Достоверность полученных научных результатов и выводов проверена сравнением теоретических положений с экспериментальными данными и зависимостями, изготовлением опытных образцов и их испытаниями.

Разработанные методы, схемные и конструктивные решения расширили научно–техническую базу для проектирования пьезоэлектрических преобразователей механических величин.

Исследованные преобразователи используются в промышленности, в частности, на НПК “Фотоприбор” и в ОАО “Укрпьезо” г. Черкассы, а также в учебном процессе в курсе дисциплины “Преобразующие устройства приборов” в Черкасском государственном технологическом университете.

Ключевые слова: линеаризация, амплитудно–частотная характеристика, пьезоэлектрический преобразователь, электрическая обратная связь, чувствительность, электрическое демпфирование.

Balkovskaya J.J. Methods of a linearization of amplitude–frequency characteristics of piezoelectric transducers of mechanical values. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05 – Elements and devices of computer facilities and control systems. The Odessa National Polytechnical University, Odessa, 2003.

А thesis is dedicated to mining of methods of a linearization of amplitude-frequency characteristics (AFC) of piezoelectric transducers of mechanical values and creation on this basis of devices of control systems with high qualitative and operational parameters.

The new method of a feedback – electrical negative feedback (ENF), which one allows to linear an amplitude–frequency characteristic of the converter is designed in the dissertation.

For the first time for AFC linearization it is offered to include piezoelement in a circuit of negative connection of a piezoelectric transducer.

The sensitivity of the converter is equal to sensitivity of piezoelement without the amplifier.

The constructive methods of AFC linearization of symmetrical and asymmetrical bimorph converters are offered.

The electrical damping along with the use of feedback and also at the expense of increase of piezoelement internal friction for AFC linearization is applied for the first time.

Key words: linearization, amplitude–frequency characteristic, piezoelectric transducer, electrical feedback, sensitivity, electrical damping.