LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Удосконалювання первинних п'єзоелектричних перетворювачів лінійних та вібраційних прискорень

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:

  • Методики і формули для розрахунку монолітних і біморфних акселерометрів дозволяють більш точно оцінювати технічні характеристики акселерометрів і можуть бути використані при їх проектуванні.

  • 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.

  • 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 "Brel 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


  •