ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РАЄВСЬКИЙ Микола Володимирович

УДК 621.3.537.228.1

МЕТОДИ ТА ПРИСТРОЇ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ ДЕФЕКТІВ БІМОРФНИХ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Черкаси – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Шарапов Валерій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри комп’ютеризованних 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;

доктор технічних наук, професор Савін Віктор Гурійович, Національний технічний університет України “КПІ”, завідувач кафедри теоретичної механіки.

Захист відбудеться " 10 " жовтня 2007 р. о 14.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченко, 460.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченко, 460.

Автореферат розісланий " 8 " вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Палагін В.В

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення і створенню нових пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при серійному виробництві.

Біморфні п’єзоелектричні елементи (БПЕ) широко застосовуються в гідро- і електроакустиці, вимірювальній, випробувальній техніці, медицині і в інших областях. Асиметричні БПЕ є основним елементом гідроакустичних антен, що використовуються в підводних і надводних кораблях. Кількість біморфних п’єзоелектричних елементів, що використовуються в електроніці, сягає мільйонів екземплярів.

Досвід серійного виробництва біморфних п’єзоелектричних елементів показує, що при їх виготовленні можливі наступні дефекти:

1. Відсутність п'єзоефекту в матеріалі п’єзоелемента.

2. Коротке замикання між електродами п’єзоелектричного елемента.

3. Відсутність електричного контакту між металевою мембраною і прилеглим до неї електродом п’єзоелектричного елемента, або в ланцюзі, що йде від п’єзоелектричного елемента до підсилювача.

Вказані дефекти призводять до зниження практично до нуля чутливості п’єзоелемента. Тому, для виявлення дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів необхідна розробка методів, засобів і пристроїв контролю.

Тривалий час при серійному виробництві біморфних п’єзоелектричних елементів використовувався метод діагностики дефектів за формою амплітудно-частотної характеристики. В п’єзоелектричному елементі збуджувалися вигинові коливання. Амплітуда цих коливань залежить від виду дефекту п’єзоелемента. Розробками пристроїв для діагностики дефектів займалося багато вчених: Шульга М.О., Нікольський В.В., Єрмолов І.М., Шарапов В.М. Було досягнуто значних результатів в цій області та створено велика кількість пристроїв для діагностики дефектів в біморфних п’єзоелектричних елементів. Однак, розроблені пристрої мають певні недоліки: необхідність розділення електродів, необхідність виконання виводу від середньої точки і необхідність використання додаткового п’єзоелемента з низькою механічною міцністю.

Тому роботи, які пов’язані з розробкою нових методів та пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при їх серійному виробництві, є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась у відповідності з прикладною держбюджетною темою „Розробка методів синтезу п’єзокерамічних перетворювачів з урахуванням просторової енергосилової структури п’єзоелемента та багатоконтурних ланцюгів зворотнього зв’язку” (держреєстраційний № 103U003690).

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка нових методів та пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів (тобто для встановлення та вивчення ознак, що характеризують наявність дефектів в біморфних п’єзоелектричних елементах).

Поставлена мета повинна бути досягнута:

- шляхом збудження пристроїв, що розробляються, прямокутними імпульсами малої тривалості;

- шляхом використання для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів індуктивного та п'єзоелектричного трансформаторів;

- шляхом використання для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів коливальних контурів з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком;

В дисертаційній роботі сформульовані і вирішені наступні задачі:

1. Розробка пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного трансформатора та коливального контура з трансформаторним зв'язком.

2. Розробка пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком.

3. Розробка пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі п'єзоелектричного трансформатора.

4. Побудова математичних і комп'ютерних моделей пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного трансформатора, коливального контура з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком.

5. Побудова математичної і комп'ютерної моделі пристрою для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі біморфного п'єзоелектричного трансформатора.

6. Розробка і дослідження електричних схем, схем заміщення, передаточних функцій, перехідних і амплітудно-частотних характеристик пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів.

7. Отримання аналітичних виразів для розрахунку перехідних і амплітудно-частотних характеристик пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів.

Об'єкт дослідження - діагностика дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів.

Предмет дослідження – методи та пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного і п'єзоелектричних трансформаторів і коливальних контурів з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої задачі використовувалися методи теорії лінійних електричних кіл, метод електромеханічних аналогій, елементи теорії автоматичного керування. Для аналізу схем заміщення пристроїв для діагностики дефектів використовувалися методи контурних струмів і електричних потенціалів, перший та другий закони Кірхгофа, пряме та зворотне перетворення Фур’є.

Достовірність отриманих наукових і комп'ютерних результатів перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними, виготовленням експериментальних установок та їх випробуваннями.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше для збудження пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів застосовано імпульсні сигнали прямокутної форми малої тривалості, що дозволяє отримати перехідні характеристики, за формою яких проводиться діагностика дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів.

2. Вперше створено пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного трансформатора та коливальних контурів з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком, які дозволяють спростити процес діагностики дефектів за рахунок аналізу форми перехідних характеристик.

3. Отримав подальший розвиток метод діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів за допомогою біморфних п'єзоелектричних трансформаторів, що дозволяє уникнути недоліків, які притаманні відомим пристроям для діагностики дефектів.

4. Вперше побудовано і досліджено математичні і комп'ютерні моделі пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного і п'єзоелектричного трансформаторів, що дозволяє проектувати пристрої для діагностики із заданими характеристиками.

5. Вперше побудовано і досліджено математичні і комп’ютерні моделі пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливальних контурів з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком, що дозволяє проектувати пристрої для діагностики із заданими характеристиками.

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

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблені методи і пристрої розширюють науково-технічну базу проектування пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів.

2. Побудовані математичні моделі дозволяють оцінювати і прогнозувати перехідні та амплітудно-частотні характеристики пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів. Результати досліджень дозволяють оцінювати і прогнозувати статичні і динамічні характеристики пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при їх використанні та виявленні дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів, що діагностуються.

3. Розроблені пристрої дозволяють спростити процес діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при їх серійному виробництві без порушення цілісності п’єзоелектричних елементів.

4. Результати, що були отримані в дисертаційній роботі, використовуються в промисловості, зокрема в НВК “Фотоприлад” (Черкаси) і ВАТ “Укрп'єзо”, а також в учбовому процесі в дисципліні „Діагностика та випробування приладів та машин” в Черкаському державному технологічному університеті, що підтверджується відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Автором проведено патентно-інформаційний пошук і вибрано методи теоретичних і експериментальних досліджень. За результатами досліджень опубліковано 26 робіт в співавторстві, у тому числі 16 патентів України на винаходи. В роботах в співавторстві автор запропонував збуджувати пристрої для діагностики дефектів імпульсами прямокутної форми малої тривалості (5, 13 – 17). Автор запропонував використовувати для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів індуктивні трансформатори і коливальні контури (5, 14 – 17). Також автором було запропонувано використовувати для діагностики біморфні п’єзоелектричні трансформатори (3 – 4, 6, 12). Проведено експериментальні дослідження (1, 2, 7 – 11, 18 – 26).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на 4 науково-технічних конференціях: на Міжнародній конференції "Сучасні інформаційні та електронні технології (СІЕТ 2005)" (Одеса, 2005); на Міжнародній конференції "International symposium on theoretical electrical engineering (ISTET"05)" (Львів, 2005); на науково-технічній конференціях „Датчики, прилади і системи 2005" (ДПС-2005) (Ялта, 2005) та „Датчики, прилади і системи 2006" (ДПС-2006) (Ялта, 2006)

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 26 наукових роботах, у тому числі 5 статтях і журналах, які затверджені ВАК України; 4 доповідях на науково-технічних конференціях і 16 патентах України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел зі 64 найменувань і 3-х додатків. Повний обсяг дисертації становить 161 сторінку та 140 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність напрямів досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, викладені наукова новизна і практична цінність дисертаційної роботи, приведені відомості про апробацію розроблених пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів, публікації, відомості про використання результатів дослідження.

В першому розділі вивчено відомі методи і пристрої для контролю та діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при серійному виробництві, виявлено їх недоліки. Найбільше поширення набули пристрої, що використовують акустичні (ультразвукові) методи. Недоліками цих пристроїв є необхідність виконання виводу від середньої точки (точки з'єднання п’єзоелементів), необхідність розділення електродів або введення додаткового п’єзоелемента. Ці недоліки є неприйнятними при серійному виробництві. Пристрої для діагностики дефектів запропоновано збуджувати імпульсами прямокутної форми малої тривалості. Пропонується для діагностики дефектів при серійному виробництві біморфних п’єзоелектричних елементів використовувати індуктивні і п'єзоелектричні трансформатори, коливальні контури з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком.

В другому розділі розроблено і досліджено пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного трансформатора і коливального контура з трансформаторним зв'язком.

Показано, що за допомогою трансформаторів і коливальних контурів спрощується процес виявлення дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при серійному виробництві. Біморфний п’єзоелектричний елемент, що діагностується, пропонується підключати не тільки паралельно вихідній обмотці трансформатора або коливального контура, але й до загальної точки.

Паралельне підключення п’єзоелектричного елемента дозволяє визначити відсутність поляризації в матеріалі та відсутність електричного контакту.

Підключення до загальної точки трансформатора або коливального контура дозволяє визначити також коротке замикання в біморфному п’єзоелектричному елементі.

Підключення біморфного п’єзоелектричного елемента як окремого коливального контура впливатиме на вихідні характеристики пристрою. Схеми пристроїв для діагностики дефектів на основі індуктивного трансформатора та коливального контура із трансформаторним зв'язком показані на рис.1. Схеми пристроїв, що зображено на рис.1, містять: , - індуктивності розсіювання первісної та вторинної обмоток трансформатора, - ємність, що входить до складу коливального контура, - п’єзоелектричний елемент, що діагностується.

Для спрощення розрахунків і аналізу представляється можливим перетворити обидві схеми.

Схеми заміщення пристроїв для діагностики дефектів приведені до первинної обмотки трансформатора, зображено на рис.2, а, б. Приведені схеми заміщення можна проаналізувати за допомогою узагальненої двоконтурної схеми рис. 2, в. Схеми заміщення містять: опір , індуктивність розсіювання первісної обмотки; індуктивність в поперечній ланці; опір та індуктивність розсіювання вторинної обмотки , - коефіцієнт трансформації, - п’єзоелектричний елемент, що діагностується, - ємність, що входить до складу коливального контура. Узагальнена двуконтурна схема містить: комплексні опори и первісного та вторинного контурів та “опір зв’язку” загальної ланки, опір біморфного п’єзоелектричного елемента, що діагностується, , опір навантаження (погоджуючого підсилювача напруги) .

а) б)

Рис.1. Схеми пристроїв для діагностики дефектів:

а) – на основі індуктивного трансформатора;

б) – на основі коливального контура с трансформаторним зв’язком.

Для визначення передаточної функції узагаль-неної схеми прист-рою для діагнос-тики дефектів, що зображено на рис.2, скористає-мося типовою формулою чоти-риполюсника.

Частотний кое-фіцієнт передачі за напругою визначаємо по формулі:

. (1)

Також пропонується використовувати для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів пристрій (рис.3), де п’єзоелектричний елемент, що діагностується, підключено до загальної точки індуктивного трансформатора (рис.3,а) та коливального контура із трансформаторним зв'язком (рис.3, в). Схеми пристроїв для діагностики дефектів можуть бути приведені до еквівалентних схем заміщення, які спрощують розрахунок і аналіз. Приведені схеми заміщення показано на рис.3, б, г.

Аналіз приведених схем заміщення (рис.3, б,г) пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів проводиться за допомогою узагальненої двоконтурної схеми заміщення рис.4, що містить комплексні опори первинного і вторинного контурів, та “опір зв'язку” загальної гілки.

Частотний коефіцієнт передачі за напругою визначаємо за формулою:

, (2)

де - опір навантаження (узгоджуючого підсилювача напруги);

- коефіцієнт чотириполюсника, що показує відношення напруги на вході чотириполюсника до напруги на виході в режимі холостого ходу;

- коефіцієнт чотириполюсника, що показує відношення напруги на вході чотириполюсника до струму на виході в режимі холостого ходу.

При цьому коефіцієнт чотириполюсника визначається:

, , (3)

де - комплексні опори повздовжніх плечей чотириполюсника;

- комплексний опір поперечного плеча чотириполюсника.

Комплексний частотний коефіцієнт передачі за напругою пристрою для діагностики дефектів на основі індуктивного трансформатора має наступний вигляд (п’єзоелектричний елемент придатний до використання):

, (4)

де та - динамічна та статична ємністі, , - динамічні опір та індуктивність п’єзоелектричного елемента, що діагностується.

Для пристрою діагностики дефектів на основі коливального контура з трансформаторним зв'язком (п’єзоелемент придатний до використання) комплексний частотний коефіціент передачі за напругою набуває наступного вигляду:

. (5)

Результати експериментальних досліджень показано на рис.5-6.

Рис.5. Перехідна характеристика пристрою для діагностики дефектів

біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного

трансформатора: а) придатний п’єзоелемент; б) відсутність поляризації; в)

відсутність електричного контакту

Рис.6. Перехідна характеристика пристрою для діагностики дефектів

біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура із трансформаторним зв'язком: а) придатний п’єзоелемент; б) відсутність

поляризації; в) відсутність електричного контакту

При придатному до використання п’єзоелектричному елементі на виході пристроя для діагностики маємо окрім власних коливань також коливання в біморфному п’єзоелектричному елементі, який є електромеханічною коливальною системою. При відсутності поляризації в матеріалі п’єзлелектричний елемент, що діагностується, являє собою ємність. При відсутності електричного контакту на виході маємо коливання з частотою, що дорівнює частоті первісного контура. При цьому амплітуда коливань буде вище, ніж амплітуда коливань при відсутності поляризації. Так як розбіжність в рівнях амплітуди коливань є незначною, то необхідно для визначення виду дефекта використовувати пристрій підрахунку імпульсів із заданим рівнем рахування.

Результати досліджень показали, що використання пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивних трансформаторів і коливальних контурів з трансформаторним зв'язком для визначення дефектів при серійному виробництві біморфних п’єзоелектричних елементів є актуальним. Також було досліджено перехідні та амплітудно-частотні характеристики пристроїв для діагностики дефектів при підключенні п’єзоелектричного елемента до загальної точки трансформатора або контура. При цьому для виявлення дефектів доцільно використовувати лічильники імпульсів із заданим рівнем рахунку.

В третьому розділі розроблено і досліджено пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком.

Пристрій для діагностики дефектів пропонується збуджувати імпульсами прямокутної форми малої тривалості.

П'єзоелектричний елемент, що діагностується, підключається паралельно вихідній обмотці коливального контура з автрансформаторним зв'язком, схема пристрою приведена на рис.7.

Рис.7. Схема пристрою для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком.

Схеми пристрою, що зображено на рис.7, містить: , - індуктивності розсіювання первісної та вторинної обмоток, - ємність, що входить до складу коливального контура, - п’єзоелектричний елемент, що діагностується.

Для спрощення розрахунків є доцільним представляється використання схеми заміщення автотрансформатора без феромагнітного осердя. Приведена і узагальнена схеми заміщення пристрою для діагностики дефектів зображена на рис.8.

Рис.8. Схеми заміщення пристрою для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком:

а) приведена; б) узагальнена

Схема заміщення містить: - ємність, що входить до складу коливального контура, активні опори та та індуктивність кожного витка , загальну кількість витків , кількість витків обмотки нижньої напруги .

Комплексний частотний коефіцієнт передачі по напрузі пристрою для діагностики на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком знаходиться з (1). При цьому комплексний опір лівого повздовжнього плеча:

. (6)

Комплексний опір правого повздовжнього плеча:

. (7)

Комплексний опір лівого поперечного плеча:

. (8)

Комплексний опір правого поперечного плеча матиме різні значення, залежно від виду дефекту.

У разі придатності до використання біморфного п’єзоелектричного елемента, його комплексний опір матиме наступний вигляд:

. (9)

Результати експериментальних досліджень перехідних характеристик пристрою для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на

основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком представлені на рис. 9.

Рис.9. Перехідна характеристика пристрою пристрою для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком:

а) придатний до використання п’єзоелектричний елемент; б) відсутність поляризації;

в) відсутність електричного контакту

В четвертому розділі розглянуто пристрій для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі біморфного п'єзоелектричного трансформатора.

Відомо, що п'єзоелектричним трансформатором називається п'єзоелектричний елемент з трьома і більш електродами, що підключаються до одного або декількох джерел електричного сигналу і навантажень. Як і трансформатор з магнітним сердечником, п'єзоелектричний трансформатор може перетворювати повний опір ланцюга, підсилювати сигнал по напрузі або струму, розгалужувати або збирати в одну електричні кола, інвертувати фазу вхідного сигналу. П’єзоелектричний елемент, що діагностується, має власний активний опір втрат, і підключається паралельно вихідним затискам п'єзоелектричного трансформатора (рис.10).

Основним вузлом пристрою для діагностики дефектів є п'єзоелектричний трансформатор.

Перша секція п'єзоелектричного трансформатора називається збуджувачем, а друга – генератором.

Збуджувач і генератор п'єзоелектричного трансформатора можна розглядати як відрізки акустичного хвилеводу.

Багатополюсну схему заміщення пристрою для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі п'єзоелектричного трансформатора можна звести до схеми чотириполюсника (рис.11), де , , - параметри, що залежать від геометричних розмірів п’єзоелектричного елемента та використаного типу п’єзокераміки, , - ємності секцій, , - опори генератора та навантаження

По схемі рис.11 можна визначити узагальнену матрицю механічного перетворювача п'єзоелектричного трансформатора:

, (10)

яка для п'єзоелектричного трансформатора з акустичним узгодженням секцій має вигляд ():

. (11)

Визначивши комплексні частотні коефіцієнти передачі пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів за напругою, отримаємо можливість визначити імпульсну характеристику пристрою:

. (12)

Знаючи імпульсну характеристику линійної стаціонарної системи, можно формально розв’язати будь-яку задачу про проходження детермінованого сигналу через таку систему.

. (13)

Часто користуються представленням частотного коефіцієнта передачі в показниковій формі:

, (14)

де - амплітудно-частотна характеристика системи, - фазочастотна характеристика системи.

Розроблені пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів запропоновано використовувати також для діагностики дефектів та контролю якісних характеристик пристроїв, що виготовляються на базі біморфних п’єзоелектричних элементів, таких як фільтри нижніх і верхніх частот, датчики тонів Короткова, що використовуються при вимірюванні артеріального тиску.

ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження, які є спрямовані на вдосконалення пристроїв для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів, що використовуються при їх серійному виробництві, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи досліджень.

Одержані результати використовуються в учбовому процесі, а також в промисловості.

2. Розроблені методи і пристрої розширили науково-технічну базу проектування пристроїв для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів.

3. Вперше для збудження пристроїв для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів використовувалися імпульсні сигнали прямокутної форми малої тривалості, що дозволяє отримати перехідні характеристики, за формою яких проводиться діагностика дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів.

4. Вперше створено пристрої для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів на основі індуктивного трансформатора, коливальних контурів із трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком, що дозволяють спростити процес діагностики дефектів за рахунок аналізу форми перехідних характеристик коливань, що є затухаючими. Представляється можливим підключення біморфного п'єзоелектричного елемента, що діагностується, як паралельно, так і до загальної точки індуктивного трансформатора або коливального контура з трансформаторним зв'язком.

5. Вдосконалено пристрої для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів на основі п'єзоелектричного трансформатора. П'єзоелектричний трансформатор пропонується виконати біморфним, і також збуждувати пристрій імпульсами прямокутної форми малої тривалості. Біморфні п'єзоелектричні трансформатори є більш механічно надійними в порівнянні з мономорфними, що розширює можливості їх використавання в пристроях діагностики і контролю при серійному виробництві.

6. Вперше побудовано і досліджено математичні і комп'ютерні моделі для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів на основі індуктивного і п'єзоелектричного трансформаторів, математичні моделі пристроїв для діагностики на основі коливальних контурів з трансформаторним і автотрансформаторним зв'язком.

7. В результаті дослідження і аналізу математичних і комп'ютерних моделей пристроїв для діагностики дефектів встановлено, що:

§ розроблені моделі дозволяють використовувати їх при подальшому проектуванні пристроїв для діагностики дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів;

§ діагностику дефектів біморфних п'єзоелектричних елементів треба здійснювати за допомогою аналізу форми перехідних характеристик пристроїв;

§ при придатному до використання біморфному п'єзоелектричному елементі в коливальному контурі виникають коливання з частотами, що дорівнюють резонансним частотам досліджуваного п'єзоелектричного елемента;

§ при дефектах коливання з частотами власних резонансів в біморфному п'єзоелектричному елементі, що діагностується, не спостерігаються.

8. В результаті експериментальних досліджень пристроїв для діагностики дефектів встановлено, що:

§ результати експериментальних досліджень підтверджують результати, що було отримано при дослідженні моделей пристроїв для діагностики дефектів;

§ підключення п'єзоелектричного елемента, що діагностується, паралельно вихідним затискам трансформатора дозволяє з більшою вірогідністю встановити придатність елемента, проте не дозволяє одержати перехідну характеристику при короткому замиканні;

§ підключення п'єзоелектричного елемента, що діагностується, до загальної точки позбавляє пристрої для діагностики від цього недоліку, проте в цих пристроях для діагностики рекомендується використовувати пристрій підрахунку імпульсів із заданим рівнем рахунку.

§ висновок про придатність біморфного п'єзоелектричного елемента робиться по кількості імпульсів заданого рівня, що поступають на вхід пристрою підрахунку імпульсів. У свою чергу доцільним є використання подібного пристрою і при паралельному підключенні п'єзоелектричного елемента, що діагностується

9. При підключенні біморфного п'єзоелектричного елемента, що діагностується, до загальної точки індуктивного трансформатора або коливального контура з трансформаторним зв'язком необхідно використовувати пристрій підрахунку кількості імпульсів із заданим рівнем рахунку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Sharapov V.M., Rayevskiy N.V., Trembovetskaya R.V. The piezoceramic intermediate frequency filter constructed on the resonators with bisected electrodes // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №3. – С.66-68.

2. Sharapov V.M., Shavaleva V.I., Trembovetskaya R.V. Rayevskiy N.V., Application of domain-dissipative piezoceramic sensors in electric filter charts // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №3. – С.69-71.

3. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Сотула Ж.В., Николаенко В.М. Контроль биморфных пьезоэлементов // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2006. - №1. – С.114-117.

4. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Контроль биморфных пьезоэлементов с помощью биморфных пьезотрансформаторов // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2006. - №2. – С.95-97.

5. Sharapov V.M., Rayevskiy N.V. The application of LC-contours for the control of bimorph piezoelectric elements // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2006. - спеціальний випуск, C.268-270.

6. Sharapov V.M., Rayevskiy N.V., Kisil T. Ju., Bondarenko Ju.Ju., Malahov E. V. Control of bimorph piezoelectric elements by bimorph piezoelectric transformers // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2006. - спеціальний випуск, C.271-273.

7. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Исследование фильтров верхних и нижних частот, построенных на базе ассиметричных биморфных пьезоэлементов // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №4. – С.121-123.

8. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В., Туз В.В., Марченко С.В., Мусиенко М.П., Плосконос Н.Ю. Пьезопреобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя заряда с каналом обратной святи // Труды VI межд. НПК “Современные информационные и электронные технологии-2005” – Одесса. – 2005. – С.276.

9. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В., Туз В.В., Марченко С.В., Мусиенко М.П., Плосконос Н.Ю. Исследование пьезомагнитных датчиков частоты вращения рабочих валов // Труды VI межд. НПК “Современные информационные и электронные технологии-2005” – Одесса. – 2005. – С.277.

10. Sharapov V.M., Rayevskiy N.V., Trembovetskaya R.V. The transducers of mechanical quantities with the piezoelements in charts of filters // Матеріали міжнародного симпозіуму з теоретичної електротехніки ISTET’05. – Львів. – 2005. – С.376.

11. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Сотула Ж.В. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 17437, МКИ Н04R31/00 по заявці №200604303 від 17.04.2006, опубл. 15.09.06, Бюл. №9, 2006 р.

12. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Минаев И.Г. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 17422, МКИ Н04R31/00 по заявці №200604218 від 17.04.2006, опубл. 15.09.06, Бюл. №9, 2006 р.

13. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Сотула Ж.В. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 20943, МКИ Н04R31/00 по заявці №200609745 від 11.09.2006, опубл. 15.02.07, Бюл. №2.

14. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 20940, МКИ Н04R31/00 по заявці №200609741 від 11.09.2006, опубл. 15.02.07, Бюл. №2

15. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Сотула Ж.В. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 20941, МКИ Н04R31/00 по заявці №200609743 від 11.09.2006 від 11.09.2006, опубл. 15.02.07, Бюл. №2

16. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 20942, МКИ Н04R31/00 по заявці №200609744 від 11.09.2006, опубл. 15.02.07, Бюл. №2.

17. Шарапов В.М., Раевский Н.В. Пристрій для контролю біморфних п’єзоелементів. Патент України 20944, МКИ Н04R31/00 по заявці №200609747 від 11.09.2006 (рішення про видачу від 05.12.2006 №33142/1).

18. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Фільтр верхніх частот. Патент України 8826, МКИ Н03H07/00 по заявці №200502138 від 09.03.2005, опубл. 15.08.05, Бюл. №8.

19. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Фільтр нижніх частот. Патент України 8503, МКИ Н03H7/06 по заявці №20041210462 від 20.12.2004, опубл. 15.08.05, Бюл. №8.

20. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Фільтр нижніх частот. Патент України 8513, МКИ Н03H7/06 по заявці №20041210516 від 20.12.2004, опубл. 15.08.05, Бюл. №8.

21. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Фільтр нижніх частот. Патент України 12959, МКИ Н03H7/06 по заявці №200506935 від 14.07.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

22. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Фільтр нижніх частот. Патент України 12960, МКИ Н03H7/06 по заявці №200506937 від 14.07.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

23. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Фільтр нижніх частот. Патент України 12963, МКИ Н03H7/06 по заявці №200506944 від 14.07.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

24. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Датчик тонів Короткова. Патент України 17421 МКИ A61B5/0225 №200604218 від 17.04.2006, опубл. 15.09.06, Бюл. №9, 2006 р.

25. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Трембовецкая Р.В. Датчик тонів Короткова. Патент України 19183, МКИ A61B5/0225 по заявці №200604264 від 17.04.2006, опубл. 15.12.06, Бюл. №12.

26. Шарапов В.М., Раевский Н.В., Минаев И.Г. Датчик тонів Короткова. Патент України 19182 , МКИ A61B5/0225 по заявці №200604249 від 17.04.2006, опубл. 15.12.06, Бюл. №12.

Раевский Н.В. Методы и устройства для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектричних элементов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05. – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2007.

Диссертационная работа посвящена актуальным вопросам дальнейшего совершенствования и созданию новых устройств для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов при их серийном производстве.

Обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы, представлены сведения об апробации, публикациях и реализации работы. Проведен анализ известных устройств и методов для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов и контроля их качественных характеристик, которые используются при серийном производстве. Предложено для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов использовать индуктивные и пьезоэлектрические трансформаторы, колебательные контуры с трансформаторной и автотрансформаторной связью. Устройства для диагностики дефектов предлагается возбуждать прямоугольными импульсами малой длительности. Диагностика дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов проводится по форме переходных характеристик.

Разработаны и исследованы устройства для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов на основе индуктивного трансформатора и колебательного контура с трансформаторной связью, построены математические и компьютерные модели, приведены результаты исследования переходных и амплитудно-частотных характеристик. Показано, что с помощью трансформаторов и колебательных контуров упрощается процесс обнаружения дефектов пьезоэлектрических элементов при их серийном производстве. При этом, подключение диагностируемого пьезоэлектрического элемента возможно как параллельно, так и к общей точке индуктивного трансформатора или колебательного контура.

Разработано и исследовано устройство для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов на основе колебательного контура с автотрансформаторной связью. Диагностируемый пьезоэлектрический элемент подключается параллельно выходной обмотке колебательного контура. Построены математические и компьютерные модели, проведены исследования переходных и амплитудно-частотных характеристик. Показано, что возбуждение устройства целесообразно проводить на частотах, приблизительно равных одной из резонансных частот диагностируемого пьезоэлемента.

Усовершенствованы и исследованы устройства для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов на основе биморфного пьезоэлектрического трансформатора. Диагностируемый пьезоэлемент, который имеет собственное активное сопротивление потерь, подключается параллельно выходным зажимам пьезоэлектрического трансформатора. Построены математические и компьютерные модели, проведены исследования переходных и амплитудно-частотных характеристик При исследовании математической модели возбудитель и генератор пьезоэлектрического трансформатора рассматриваются как отрезки акустического волновода; многополюсная схему замещения устройства для диагностики дефектов сводится к схеме четырехполюсника.

Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс в Черкасском государственном технологическом университете и приняты для внедрения в НПК “Фотоприбор” (Черкассы) и ОАО “Укрпьезо”.

Ключевые слова: биморфный пьезоэлектрический элемент, индуктивный трансформатор, колебательный контур, пьезоэлектрический трансформатор, устройства для диагностики дефектов биморфных пьезоэлектрических элементов, отсутствие поляризации, отсутствие электрического контакта, переходная характеристика, математическая модель.

Раєвський М.В. Методи та пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.05. - Елементи та пристрої обчислювальної техніки і систем управління. Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2007.

Дисертаційна робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення і створення нових пристроїв для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів при їх серійному виробництві.

Пристрої для діагностики пропонується збуджувати прямокутними імпульсами.

Розроблено і досліджено пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі індуктивного трансформатора і коливального контура з трансформаторним зв'язком.

Розроблено і досліджено пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі коливального контура з автотрансформаторним зв'язком.

Вдосконалено і досліджено пристрої для діагностики дефектів біморфних п’єзоелектричних елементів на основі біморфного п'єзоелектричного трансформатора.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в учбовий процес в Черкаському державному технологічному університеті і прийняті для впровадження в НПК “Фотоприлад” (Черкаси) і ВАТ “Укрп'єзо”.

Ключові слова: біморфний п’єзоелектричний елемент, індуктивний трансформатор, контур, поляризація, відсутність електричного контакту, перехідна характеристика.

Raevskiy N. V. The methods and devices for the defects diagnostics of bimorph piezoelectric elements. – Typescript

Ph. D. thesis for competing candidate of technical science academic degree in 05.13.05. specialty - Elements and devices of the computer engineering and control systems. Cherkassy State Technological University, Cherkassy, 2007

Dissertation is devoted to live issues of further perfection and creation of new diagnostics devices of defects of asymmetric bimorph elements in serial production.

It is conducted the analysis of the well-known devices and methods of control and diagnostics. The usage of inductive and piezoelectric transformers, oscillatory circuit with transformer and autotransformer connection is offered. The diagnostics devices are proposed to be activated by short square impulses.

The diagnostics devices are processed and investigated on the base of inductive transformer, oscillatory circuit with transformer connection.

The diagnostics devices for qualitative adjectives of the bimorph piezoelectric elementns are processed and explored on the base of oscillatory circuit with autotransformer connection.

It is offred to use for diagnostics the piezoelectric transformers. The controlled piezoelectric element is linked up parallel to output terminal of piezoelectric transformer.

The results of the research work are applied in academic process in Cherkassy State Technological University and taken to implantation into SPC “Photopribor” (Cherkassy) and VAT “Ukrpiezo”.

Key words: bimorph piezoelectric element, transformer, oscillatory circuit, piezoelectric transformer, polarization, electric contact.