ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
Сарвар Іван
УДК 621.3.537.228.1
Удосконалювання первинних п'єзоелектричних перетворювачів лінійних та вібраційних прискорень
05.13.05 – “Елементи та пристрої обчислювальної техніки
та систем керування”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2000
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Черкаському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор Шарапов Валерій Михайлович, завідувач кафедри приладобудування Черкаського інженерно-технологічного інституту.
Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України,
доктор технічних наук Куценко Альфред Миколайович, професор кафедри фізики Одеського державного політехнічного університету;
доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, завідувач науково-дослідної лабораторії ”Сенсорна електроніка” Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова.
Провідна установа Вінницький державний технічний університет.
Захист відбудеться "26" жовтня 2000 р. о 1330 год. 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 ознайомитися в бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 20 жовтня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Ямпольский Ю.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Робота присвячена актуальним питанням подальшого удосконалювання та утворення нових елементів та пристроїв для систем управління, приладобудування та обчислювальної техніки, зокрема первинних п'єзоелектричних перетворювачів лінійних та вібраційних прискорень (акселерометрів).
Аналіз наукової і патентної інформації, вітчизняного і зарубіжного ринків дозволяє зробити ряд висновків:
-
п'єзоелектричні перетворювачі, (зокрема п'єзоелектричні акселерометри) нарівні з напівпровідниковими, є найбільш перспективними та такими, що інтенсивно розвиваються. Це пов'язано з їх твердотілістю, відносною простотою, відсутністю для багатьох модифікацій необхідності в джерелі живлення та іншими перевагами;
-
незважаючи на значні зусилля, які докладаються спеціалістами і фірмами в цій галузі, багато параметрів п'єзоелектричних акселерометрів потребують поліпшення;
-
від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем управління і регулювання, приладів контролю технологічних процесів, характеристик навколишнього середовища, безпека роботи ядерних, теплових, хімічних установок, літальних апаратів і морських об'єктів, тому роботи щодо створення нових і удосконалюванню відомих перетворювачів є досить актуальними. Слід також зазначити, що в Україні не налагоджено виробництво п'єзоелектричних перетворювачів лінійних і вібраційних прискорень (акселерометрів) для ракетної техніки, авіації і випробувальної техніки, систем управління тощо.
Придбання ж таких перетворювачів за кордоном досить проблематичне через їх високу ціну. Наприклад, один з перетворювачів фірми «Kistler Instrumente AG» коштує стільки ж, як і вітчизняний автомобіль.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась у відповідності з держбюджетною фундаментальною науково-дослідною роботою (держ. реєстр. № 197V015160) "Створення континуальних механіко-математичних моделей та основ аналізу функціональних параметрів і синтезу шаруватих п’єзоелектричних перетворювачів".
Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка методів та засобів удосконалювання первинних п'єзоелектричних перетворювачів лінійних та вібраційних прискорень (акселерометрів). Досягнення цієї мети створює основи для проектування конкурентоспроможних зразків цього виду продукції.
Поставлена мета має бути досягнута:
-
шляхом побудови та дослідження фізичних і математичних моделей акселерометрів, які більш точно описують досліджувані перетворювачі;
-
шляхом дослідження впливу розмірів і форми елементів акселерометрів, електричних режимів їх роботи та схем включення перетворювачів;
-
шляхом застосування нових, нетрадиційних для даних перетворювачів елементів, типів коливань і т. ін.
В дисертації сформульовані і вирішені такі задачі:
1.
Побудова та дослідження механічної моделі багатоелементного акселерометра для отримання інформації про вплив закріплення на об'єкті.
2.
Побудова і дослідження математичної моделі біморфного акселерометра для встановлення впливу конструктивних розмірів і механічних характеристик матеріалу на його чутливість.
3.
Дослідження впливу контактної жорсткості на чутливість багатокомпонентних акселерометрів.
4.
Розробка методики розрахунку монолітних циліндричних акселерометрів.
5.
Дослідження впливу параметрів вимірювальних ланцюгів на характеристики акселерометрів.
6.
Наукове обґрунтування принципів проектування та побудови конструктивних схем монолітних, багатоелементних мономорфних, біморфних і триморфних одно- і трикоординатних акселерометрів з покращеними характеристиками.
Об’єкт дослідження – розробка методів і засобів удосконалення первинних п’єзоелектричних перетворювачів лінійних та вібраційних прискорень, що використовуються в системах керування рухом, приладобудуванні та випробувальній техніці.
Предмет дослідження – п’єзоелектричні перетворювачі лінійних та вібраційних прискорень.
Методи досліджень. Для розв’язання поставленої задачі використовувались методи лінійної теорії електропружності. Для побудови наближених рішень використовувались методи теорії коливань для систем із зосередженими параметрами. Для аналізу перетворювачів використовувались також методи теорії автоматичного управління, радіотехніки, методи теорії ймовірності та математичної статистики, фізичні експерименти на макетах і дослідних зразках.
Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними та залежностями, виготовленням дослідних зразків та їх випробуванням.
Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну роботи складають побудова і дослідження нових фізичних і математичних моделей п'єзоелектричних акселерометрів, що дає можливість більш точно оцінювати їх технічні характеристики, наукове обґрунтування методів розрахунку і побудови конструкцій і технічних рішень п'єзоелектричних акселерометрів з поліпшеними технічними характеристиками.
В тому числі:
-
вперше побудована і досліджена механічна і математична модель акселерометра і об'єкта, на якому він закріплюється, при цьому, зокрема, встановлено, що резонансна частота закріпленого акселерометра зменшується;
-
вперше побудована і досліджена математична модель біморфного акселерометра, закріпленого по твірній, при цьому встановлено, що залежність чутливості акселерометра в дорезонансній області від відношення товщин і радіусів п'єзоелектричної і металічної пластин має область оптимальних значень геометричних розмірів;
-
вперше встановлена залежність чутливості багатоелементного акселерометра від контактної жорсткості між п'єзоелементом і інерційною масою для дорезонансної області, при цьому встановлено, що чутливість акселерометра може бути збільшена при використанні контактуючих пар з більшою контактною жорсткістю;
-
в результаті аналізу схеми п’єзоелектричного акселерометра з підсилювачем заряду вперше встановлено, що рівень шумів підсилювача зростає при зменшені вхідного опору менше величини
, де Rос – опір у ланцюгу зворотного зв’язку; A – коефіцієнт підсилення операційного підсилювача;
-
вперше встановлено, що вихідна напруга монолітного циліндричного акселерометра пропорційна п’єзоелектричній сталій, модулю Юнга та відстані між електродами і обернено пропорційна висоті п’єзоелемента (товщині поляризованої частини);
-
вперше науково обґрунтовано і експериментально перевірено принцип побудови конструктивних схем п’єзоелектричних акселерометрів з малою боковою чутливістю, які включають вісесиметричний чутливий елемент (циліндр, сегмент сфери) і основу (стійку) відповідно у вигляді циліндра та кулі;
-
вперше науково обґрунтовано застосування ультразвукових концентраторів у конструкціях п’єзоелектричних акселерометрів.
Практична цінність отриманих результатів:
1.
Методики і формули для розрахунку монолітних і біморфних акселерометрів дозволяють більш точно оцінювати технічні характеристики акселерометрів і можуть бути використані при їх проектуванні.
2.
Результати досліджень більш точної механічної моделі багатоелементного акселерометра дозволили сформулювати вимоги до закріплення акселерометра на об'єкті, а також до співвідношення маси акселерометра та об'єкта, що дозволяє підвищити надійність як акселерометрів, так і систем управління рухомими об'єктами.
3.
Розроблені принципи побудови конструктивних схем монолітних, багатоелементних мономорфних, біморфних, триморфних одно- і трикоординатних акселерометрів можуть бути використані при проектуванні акселерометрів і створюють основи для проектування конкурентоспроможних зразків акселерометрів.
Результати дослідження використовуються в навчальному процесі з дисципліни "Перетворюючі пристрої приладів" в Черкаському інженерно-технологічному інституті. Планується також виробництво акселерометрів на АТ "Укрп’єзо" та НВК "Фотоприлад", м. Черкаси.
Особистий вклад здобувача полягає в аналізі наукової та технічної інформації в галузі створення та виробництва п'єзоелектричних акселерометрів [11]. Автор побудував та дослідив фізичні і математичні моделі біморфних перетворювачів [2], розробив, науково обґрунтував і експериментально дослідив біморфні триморфні акселерометри [2, 7, 14], одно- і трикоординатні акселерометри [1, 9, 10, 13, 16], підсилювачі заряду для них [10, 17], акселерометри з ультразвуковими концентраторами і на акустично зв'язаних резонаторах [3, 4, 15] і т. ін.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на 14 науково-технічних міжнародних і республіканських конференціях: IEEE International Ultrasonics Symposium (Sendai, Japan, 1998), на Міжнародній конференції "Diagnostics and Monitoring: Metrologic Aspects" (Kaunas, Lithuania, 1999); на конференції "Современная контрольно-испытательная техника", СКИТ-97 (Київ, 1997); на конференції "Автоматика - 97" (Черкаси, 1997); на Міжнародній конференції "Приборостроение-99" (Ялта, 1999); на Міжнародній конференції "Metrology And Metrology Assurance" (Bulgaria, 1998, 1999); на Міжнародній конференції "Датчик-98" (Гурзуф - Москва, 1998); на Міжнародній конференції "СИЭТ4-98" (Київ, 1998); на Міжнародній конференції "Приборостроение-98" (Вінниця, 1998); на Міжнародній конференції "СИЭТ5-99" (Київ, 1999), на Міжнародній конференції "Наука и предпринимательство" (Вінниця, 1998, 1999, 2000); на Міжнародній конференції "СИЭТ6-99" (Київ, 1999); на Міжнародній конференції "Датчик-99" (Гурзуф-Москва, 1999).
Публікації. Результати дисертації опубліковано в 17 наукових працях, в тому числі в 7 статтях в журналах і збірниках наукових праць, затверджених ВАК України:
·
3 статті у "Віснику Черкаського інженерно-технологічного інституту";
·
1 стаття в журналі "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах";
·
1 стаття в журналі "Вісник Вінницького державного сільськогосподарського інституту";
·
2 статті в працях конференції “Автоматика-97”;
Структура дисертації. Робота містить 146 сторінок тексту, ілюстрованого рисунками і таблицями на 23 сторінках (відповідно 75 і 5 найменувань) і складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 102 найменувань, двох додатків.
основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, сформульована мета і задачі досліджень, відображена наукова новизна та практична цінність роботи, наведено відомості про апробацію, публікації, відомості про використання результатів досліджень.
У першому розділі наведено аналіз робіт у галузі п'єзоелектричних акселерометрів для систем управління рухомими об'єктами, вимірювальної та випробувальної техніки, приладобудування.
Проаналізована вітчизняна і зарубіжна інформація про п'єзоелектричні акселерометри. Показано, що інтенсивно розвиваються як акселерометри на кремнієвих мікроструктурах, так і п'єзоелектричні. Серед останніх значний інтерес становлять монолітні акселерометри, а також багатоелементні мономорфні, біморфні і резонансні.
Лідерами в цій галузі є фірми "Brьel and Kjer" (Данія),"Kistler Instrumente AG" (Швейцарія),"Endevco" (США), АО "Виброприбор" (Росія) та інші.
Показано також, що параметри п'єзоелектричних акселерометрів потребують удосконалення.
У другому розділі вивчені монолітні п'єзоелектричні акселерометри. Такі акселерометри складаються з монолітного керамічного блока, в якому є поляризовані і неполяризовані області. Поляризовані області використовуються як чутливий елемент, а неполяризовані – як основа й інерційна маса. Ці акселерометри мають високу чутливість і резонансну частоту, однак у них порівняно складна конструкція (рис.1а).
Рис. 1. Монолітні акселерометри
Автором запропонована більш проста конструкція монолітного акселерометра, один сегмент якого показаний на рис.1 б, і розроблено метод його розрахунку. Цей метод оснований на спільному розв'язку рівнянь п'єзоефекту, рівнянь електростатики Максвела і рівнянь руху п'єзоелектричного середовища. Після досить складних перетворень і за граничних умов отримано вираз для коефіцієнта перетворення, який має вигляд:
, (1)
де – прискорення; – густина п’єзоелемента; – модуль Юнга матеріалу; – висота п’єзоелемента; ; – висота інерційної маси; – відповідно площа перетину поляризаційної частини (п’єзоелемента) та інерційної маси.
Установлено також, що більш високу осьову і нульову бокову чутливість мають акселерометри, чутливі елементи яких виконані у вигляді порожніх циліндричних п'єзоелементів з поляризацією по осі або по радіусу, що встановлені на основу з циліндричною стійкою (рис.2).
Рис. 2. Монолітні акселерометри з порожнім циліндричним п’єзоелементом: 1 – поляризована область; 2 – неполяризована область;
3 – основа; 4 – стійка
Кращі характеристики мають циліндричні монолітні акселерометри з поляризованою областю у вигляді тора (рис.3). Діаграма направленості акселерометра, зображеного на рис.3а, показана на рис.4.
Рис. 3. Акселерометри з поляризованою областю у вигляді тора
Рис. 4. Діаграма направленості для акселерометра з поляризованою областю у вигляді тора
У третьому розділі вивчені багатоелементні акселерометри, тобто такі, що містять у вигляді окремих елементів п'єзоелемент, основу, інерційну масу, пружний елемент і корпус. Автором запропонована і досліджена механічна модель, яка, на відміну від відомої, дозволяє оцінити вплив характеристик вузла закріплення до об'єкта на параметри акселерометра. Зокрема показано, що резонансна частота акселерометра визначається за формулою:
, (2)
де k – еквівалентна жорсткість п'єзоелемента; – відповідно інерційна маса і маса об'єкта.
Рис. 5. Механічна модель п’єзоелектричного акселерометра
При ідеально жорсткому закріпленні акселерометра на об'єкті можна вважати, що маса основи зростає, отже, резонансна частота закріпленого на об'єкті акселерометра зменшується. Встановлено також, що контактна жорсткість між п'єзоелементом і інерційною масою впливає на чутливість акселерометра і в дорезонансній області (раніше В.М. Шараповим така залежність була встановлена для резонансної частоти):
, (3)
де – поздовжній та поперечний п'єзомодулі; відповідно модулі Юнга та коефіцієнти Пуассона матеріалів п'єзоелемента та прокладок.
Слід зазначити, що контактна жорсткість, а також якість обробки поверхонь, що контактують, суттєво впливає на розподіл механічних напруг по об'єму п'єзоелемента (рис. 6).
Рис. 6. Механічні напруги в п'єзоелементі
Встановлено також, що найкращі характеристики можуть бути отримані для акселерометрів з циліндричними поперечними п'єзоелементами. Чутливість такого акселерометра:
, (4)
де – прискорення та електричний заряд відповідно; d11 – п'єзомодуль; h, – відповідно висота і товщина циліндра; – густина. Розроблено декілька нових конструкцій акселерометрів з циліндричними поперечними п'єзоелементами, три з яких показано на рис. 7.
Рис. 7. Багатоелементні акселерометри:
1 – п’єзоэлемент; 2 – інерційна маса; 3 – пружний елемент;
4 – стійка; 5 – епоксидний компаунд
Вказані акселерометри, так як і акселерометри, зображені на рис.3а,б, переважають за технічними характеристиками акселерометри "Delta Shear" фірми "Brьel & Kjer". Зокрема, мають в 1,2 - 1,5 рази вищу осьову (робочу) чутливість при нульовій боковій (поперечній) чутливості, а також більш просту конструкцію і технологію виготовлення, меншу ціну.
В ряді технічних пропозицій, наприклад, в сейсмометрії, для об'єктів, що рухаються, існує необхідність мати інформацію не тільки про величину вектора прискорення, але й про його розташування відносно осей координат. Звичайно з цією метою використовують акселерометр з трьома чутливими елементами, розташованими по цих осях. Для отримання однозначної інформації про положення вектора прискорення необхідно, щоб сигнал, який отримують з кожного із трьох чутливих елементів, інтерпретувався б також однозначно. Цю вимогу задовольняє чутливий елемент одного з розроблених автором трикоординатних акселерометрів, зображений на рис.8.
Рис. 8. Чутливий елемент (а) і діаграма направленості трикоординатного акселерометра (б): 1 – основа у вигляді кулі; 2 – пєзоелемент у вигляді сферичного сегмента; 3, 4 – частини пєзоелемента, поляризовані зустрічно; 5, 6 – інерційні маси
Резонансні акселерометри мають частотну характеристику, яка починається з нуля, і високу чутливість. Для прикладу на рис. 9 показано схеми двох акселерометрів, розроблені автором, які мають в своїй конструкції ультразвукові концентратори.
Рис. 9. Резонансні акселерометри:
1 – п’єзотрансформатор; 2 – генератор; 3 – вимірювальний прилад;
4 – ультразвуковий концентратор; 5 – інерційна маса; 6 – мембрана
У четвертому розділі вивчено акселерометри на основі біморфних і триморфних п'єзоелементів. Такі акселерометри мають високу осьову чутливість, високу конструктивну адаптивність, але вузький частотний діапазон і більшу бокову чутливість.
Вперше побудована і досліджена математична модель біморфного акселерометра на основі рівнянь електропружності, рівнянь Максвела і рівнянь п’єзоелектричного середовища для біморфного акселерометра, який складається із з’єднаних між собою металічного і п’єзоелектричного дисків.
Дослідження цієї моделі дозволило встановити, що максимум чутливості S досягається при відношенні радіуса мембрани до радіуса п’єзоелемента (рис. 10), де .
Рис. 10. Залежність відносної чутливості S біморфного акселерометра від величини коефіцієнта при різних значеннях параметра : =0,2 (1); 0,4 (2); 0,5 (3); 0,7 (4); 0,8 (5); 0,9 (6)
Отримано формули для розрахунку акселерометрів із закріпленням біморфного акселерометра по центру і по твірній. Для останнього випадку вираз для визначення чутливості біморфного акселерометра має вигляд:
, (5)
де d31 – п’єзомодуль п’єзокераміки; -; – діелектрична проникність; ;m3=1-1+(1+1)+a4(1-)(1+эф); ; – механічна напруга у відповідних областях біморфа.
Автором сформульовано також принцип, придатний для всіх типів акселерометрів, суть якого в тому, що для зменшення бокової чутливості (теоретично до нуля) конструкція акселерометра повинна мати повну осьову симетрію. Для реалізації цього принципу запропоновано три конструкції акселерометрів, в яких використовується по два біморфні елементи або один триморфний (рис. 11).
Рис. 11. Акселерометри на основі двох біморфних (а, б) і триморфного елемента (в): 1, 2 – мембрани; 3, 4 – п’єзоелементи;
5, 6 – інерційні маси; 7 – тяга; 8 – корпус
Корисно також зазначити, що ці конструкції можуть бути використані в гідроакустиці як так звані векторні приймачі.
В п'ятому розділі вивчено вплив параметрів електричних ланцюгів, зокрема підсилювача зарядів, на характеристики акселерометра. Показано, що цей підсилювач досить адаптивний до п'єзоелектричних перетворювачів будь-якого типу, легко перебудовується і забезпечує високі характеристики. Установлено, зокрема, що еквівалентний вхідний опір не впливає на напругу вихідного сигналу підсилювача заряду до тих пір, поки цей опір не стане сумірним з Rос/А значенням, де Rос – опір у ланцюгу зворотного зв’язку; А – коефіцієнт підсилення операційного підсилювача. Якраз при цьому вхідному опорі зростає рівень шумів на виході підсилювача. Установлено також, що п’єзоелемент акселерометра може бути включений замість конденсатора у ланцюгу зворотного зв’язку операційного підсилювача. Автором запропонована також нова схема включення п’єзоелемента замість конденсатора зворотного зв’язку (рис. 12). Для цієї схеми вихідна напруга дорівнює , де, Qп,, Cп – відповідно заряд і ємність п’єзоелемента.
Рис. 12. Зарядовий підсилювач з п’єзоелементом у ланцюгу зворотного зв’язку
ВИСНОВКИ
1.
Проведені дослідження, спрямовані на створення методів і засобів покращення характеристик первинних п’єзоелектричних перетворювачів лінійних і вібраційних прискорень (акселерометрів), які використовуються в системах управління рухомими об’єктами і приладобудуванні, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі проблема може вважатися вирішеною. При виконанні роботи використовувались коректні і достовірні методи досліджень. Отримані результати планується використовувати в промисловості. Вони використовуються також у навчальному процесі.
2.
На основі аналізу запропонованої автором механічної і математичної моделі багатоелементного акселерометра встановлено, що резонансна частота закріпленого на об’єкті акселерометра зменшується. В практиці використання акселерометрів необхідно прагнути до того, щоб маса акселерометра була набагато менша за масу об’єкта.
3.
Для акселерометра з біморфним елементом, закріпленим по центру, встановлено, що:
а) коефіцієнт перетворення не залежить від прискорення;
б) залежність коефіцієнта перетворення від радіуса біморфного елемента близька до квадратичної.
4.
В результаті дослідження математичної моделі акселерометра з біморфним елементом, закріпленим по твірній, установлено, що існує область оптимальних значень чутливості від співвідношень радіусів і товщин п’єзоелемента і металічної пластини, а також характеристик матеріалів, з яких вони виготовлені.
5.
Встановлено, що і для дорезонансної області контактна жорсткість між п’єзоелементом і інерційною масою впливає на чутливість багатоелементного акселерометра.
6.
В результаті аналізу еквівалентної електричної схеми підсилювача заряду встановлено, що еквівалентний вхідний опір не впливає на напругу вихідного сигналу підсилювача заряду до тих пір, поки цей опір не стає сумірним з Rос/А значенням, де Rос – опір у ланцюгу зворотного зв’язку; А – коефіцієнт підсилення операційного підсилювача. Якраз при цьому вхідному опорі зростає рівень шумів на виході підсилювача. Установлено також, що п’єзоелемент акселерометра може бути включений замість конденсатора у ланцюгу зворотного зв’язку операційного підсилювача.
7.
Для зменшення бокової чутливості необхідно використовувати конструкції акселерометрів з повною осьовою симетрією. Ці вимоги задовольняє п’єзоелемент у формі циліндра, поляризованого по товщині, а також конструкції з двома біморфними або одним триморфним елементом, монолітні акселерометри циліндричної форми, а також акселерометри з основою у вигляді кулі з п’єзоелементом у вигляді сферичного сегмента.
Основні результати роботи:
1.
В дисертаційній роботі на основі виконаних автором досліджень вирішено наукове завдання, яке полягає в удосконаленні теоретичної і технічної бази первинних п’єзоелектричних перетворювачів лінійних і вібраційних прискорень.
2.
Розроблено методи і формули для розрахунку монолітних циліндричних акселерометрів, а також акселерометрів з біморфними чутливими елементами, закріпленими в центрі і по твірній, які можуть бути використані при проектуванні акселерометрів.
3.
Науково обґрунтовані і побудовані конструктивні схеми монолітних, багатоелементних мономорфних, біморфних і триморфних одно- і трикоординатних акселерометрів. Виготовлені і експериментально досліджені конкурентоспроможні зразки акселерометрів з покращеними характеристиками.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Особисті праці:
1.
Сарвар И. Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр // Вестник Винницкого государственного сельскохозяйственного института (спец. выпуск). – Винница: 1999. – С.130-133.
Праці з співавторами:
2.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Расчет асимметричных биморфных пьезоэлементов // Вісник ЧІТІ. – 1998. – № 3. – С.3-7.
3.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Резонансные преобразователи с ультразвуковыми концентраторами // Вісник ЧІТІ. – 1999. – № 3. – С.30-34.
4.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Пьезоэлектрические преобразователи на акустически связанных резонаторах // Вісник ЧІТІ. – 1999. – № 4. – С.89-93.
5.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Обратная связь в пьезоэлектрических преобразователях механических величин // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – Хмельницький, 1999. – Вып. № 2. – С.64-67.
6.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Компланарные триморфные пьезоэлементы с обратной связью // Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97". – Т.4. – Черкассы, 1997. – С.73-75.
7.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Компланарные триморфные пьезоэлементы в датчиках электронных тонометров // Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97". – Т.1. – Черкассы, 1997. – С.43-45.
8.
Sharapov V., Sarwar I. & others. The Electromechanical Feed-Back in Piezoceramic Sensors and Transducers // 1998 IEEE International Ultrasonics Symposium, Sendai, Japan. – New Jersy, 1998.
9.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Пьезокерамический акселерометр // Труды межд. конф. "Metrology And Metrology Assurance" – Sofia: Bulgaria, 1998. – С.155-157.
10.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Пьезоэлектрический датчик механических величин с усилителем заряда // Труды межд. конф. "Metrology And Metrology Assurance" – Sofia: Bulgaria, 1999. – С.98-100.
11.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Пьезоэлектрические акселерометры (тенденции развития, конструкции) // Труды филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 2000. – С.455-459.
12.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Повышение чувствительности пьезоэлектрических преобразователей резонансного типа // Труды филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 1999. – С.258-261.
13.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Секционированный пьезокерамический акселерометр // Труды межд. конф. "Датчик- 98" – Москва – Гурзуф, 1998. – С.235-236.
14.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Триморфные пьезоэлементы для датчиков механических величин // Труды филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 1999. – С .262-265.
15.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Применение ультразвуковых концентраторов в пьезоэлектрических преобразователях // Труды межд. конференции "Приборостроение - 99" (спец. выпуск). – Ялта, 1999. – С.285-288.
16.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Трехкомпонентный пьезоэлектрический акселерометр // Труды межд. конф. "Датчик- 99" – Москва - Гурзуф, 1999. – С.175-176.
17.
Шарапов В.М., Сарвар И. и др. Универсальный усилитель заряда для пьезоэлектрических преобразователей // Труды филиала МГТУ им. Н.Э.Баумана (спец. выпуск). – Калуга, 2000. – С.394-396.
Є також 8 позитивних рішень про видачу патентів України.
Сарвар І. Удосконалювання первинних п'єзоелектричних перетворювачів лінійних та вібраційних прискорень. - Рукопис.
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, 2000.
Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів удосконалювання п'єзоелектричних акселерометрів, науковому обґрунтуванню і розробці принципів побудови конструктивних схем монолітних, багатоелементних мономорфних, біморфних, триморфних одно- і трикоординатних акселерометрів, а також підсилювачів заряду до них. Виконання цих робіт створює основи для проектування конкурентоспроможних зразків цього виду продукції.
У дисертації розроблені методи розрахунку циліндричних монолітних акселерометрів, а також акселерометрів з біморфними чутливими елементами, закріпленими у центрі чи по твірній. Побудовано та досліджено механічну та математичну модель багатоелементного акселерометра для отримання інформації про вплив розмірів акселерометра на його параметри. Досліджено вплив контактних явищ на чутливість акселерометрів. Досліджено вплив параметрів вимірювальних ланцюгів на характеристики акселерометрів.
Для розв’язання цих задач використовувались методи лінійної теорії електропружності. Для побудови приблизних рішень використовувались методи теорії коливань для систем із зосередженими параметрами, методи теорії автоматичного керування і математичної статистики.
Ключові слова: монолітний, багатоелементний, біморфний, триморфний, резонансний акселерометр, чутливість, діаграма спрямованості.
Ivan Sarwar. Perfection of Primary Piezoelectric of Transducers of Linear and Vibrating Acceleration - Manuscript.
The thesis for obtaining the scientific Ph.D. degree of Candidate of Technical Sciences on speciality 05.13.05 - Elements and Devices of Computer Sciences and Control Systems: Odessa State Polytechnic University, Odessa, 2000.
The thesis is devoted to the methods of construction, calculation and results of the researches of monolithic, multielement, monomorf, bimorph, trimorf and resonant primary transducers (accelerometers) for control systems and electronic devices.
The work was carried out according to state funded fundamental research work (state registration № 197V015160) "Creation of continual mechanic-mathematical models and bases of the analysis of functional parameters and synthesis of layered piezoelectric transducers ".
The purpose of the given research is the development of methods and means of perfection of primary piezoelectric transducers of linear and vibrating accelerations (accelerometers). The achievement of this purpose creates bases for designing competitive samples of this kind of production.
For the solution of the given task the methods of the linear theory of electroelasticity were used. For construction of the approached solution the methods of the theory of fluctuations for systems with the concentrated parameters were used. For the analysis of transducers the methods of the theory of automatic control, radio engineering, methods of the theory of probability and mathematical statistics, physical experiments on models and experimental samples were used also.
For the first time the mechanical and mathematical model of accelerometers and object, on which it is fixed, is constructed and investigated thus, in particular, it is established, that the resonant frequency of the fixed accelerometer decreases.
For the first time the mathematical model of bimorph accelerometer, fixed on the forming is investigated and constructed, thus it is established, that the dependence of sensitivity accelerometer in to the resonance frequency area on the ratio of the thickness both radiuses of piezoelectric and metal plates has area of optimum importance of geometrical radiuses.
For the first time the principle of construction of the constructive circuits piezoelectric accelerometers with small lateral sensitivity including sensitive symmetrical axis of piezoelectric element, (cylinder, segment of sphere) and basis (rack) accordingly as the cylinder and sphere is scientifically proved and experimentally checked up.
For the first time the application of ultrasonic concentrators in designs piezoelectric accelerometers is scientifically proved.
For the first time the dependence of sensitivity of multielement accelerometer on contact rigidity between piezoelectric and inertial weight for the up-to-resonance area is established, thus is established, that the sensitivity of accelerometer can be increased at use of contacting pairs with the greater contact rigidity.
As a result of the analysis of the circuit piezoelectric accelerometer with the amplifier of a charge for the first time it is established for the first, that the level of noise of the amplifier increases at reduction of entrance resistance less size, where – resistance in a circuit of a feedback; A – coefficient of amplification of the operational amplifier.
Output voltage of the monolithic cylindrical accelerometer proportionally piezoelectric constant, module of Young and distance between electrodes and in inverse proportion to height piezoelement (thickness of the polarised part) for is established the first time.
The techniques and formulas for account monolithic and bimorph accelerometers allow more precisely estimating characteristic accelerometers and can be used at their designing.
The results of researches of more precise mechanical model multielement accelerometer have allowed to formulate the requirements to fastening accelerometer on object, and also to a ratio of weight accelerometer and object, that allows to increase reliability, as accelerometers as control systems of moving objects.
The developed principles of construction of the constructive circuits of monolithic, multielement, monomorph, bimorph, trimorph, one and three-coordinate accelerometers can be used at designing accelerometers and create bases for designing competitive samples accelerometers.
The results of research are used in educational process on discipline "Transducers Devices for Measurement Technology" in the Cherkassy Institute of Engineering and Technology, Manufacture of accelerometers in joint-stock company "UKRPIEZO" and Scientific Industrial Complex "Photopribor", is planned in Cherkassy.
In the thesis on the basis of the researches, executed by the author, the scientific task consisting in perfection of theoretical and technical base of primary piezoelectric transducers of linear and vibrating accelerations is solved.
The methods and formulas for account of monolithic cylindrical accelerometers are developed, and also accelerometers with bimorph sensitive elements fixed at the center and on the forming, which can be used at designing of accelerometers.
It is scientifically proved and the constructive circuits of monolithic, multielement, monomorph, bimorph and trimorph one and three-coordinate accelerometers are constructed. It is made and competitive samples of accelerometers with the improved characteristics are experimentally investigated.
Keywords: monolithic, multielement, monomorf, bimorph, trimorf and resonant accelerometer, sensibility, diagram direction.
Сарвар И. Совершенствование первичных пьезоэлектрических преобразователей линейных и вибрационных ускорений. – 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, 2000.
Диссертационная работа посвящена разработке методов и средств совершенствования пьезоэлектрических акселерометров, научному обоснованию и разработке принципов построения конструктивных схем монолитных, многоэлементных мономорфных, биморфных, триморфных одно- и трехкоординатных акселерометров, а также усилителей заряда к ним. Выполнение этих работ создает основы для проектирования конкурентоспособных образцов этого вида продукции.
В диссертации разработаны методы расчета монолитных цилиндрических акселерометров, а также акселерометров с биморфными чувствительными элементами, которые закреплены в центре или по образующей.
Построена и исследована механическая модель многоэлементного акселерометра для получения информации о влиянии размеров акселерометра на его параметры.
Исследовано влияние контактных явлений на чувствительность акселерометров. Исследовано влияние параметров измерительных цепей на характеристики акселерометров.
Для решения этих задач использовались методы линейной теории электроупругости. Для построения приблизительных решений использовались методы теории колебаний для систем с сосредоточенными параметрами, методы теории автоматического управления и математической статистики.
Ключевые слова: монолитный, многоэлементный, биморфный, триморфный, резонансный акселерометр, чувствительность, диаграмма направленности.
