.

Розробка п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин поліморфного типу: Автореф. дис… канд. техн. наук / І.Б. Чудаєва, Одес. держ. політехн.

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2594
Скачать документ

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЧУДАЄВА Ія Борисівна

УДК 621.3.537.228.1

РОЗРОБКА П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН ПОЛІМОРФНОГО ТИПУ

Спеціальність
05.13.05 – “Елементи та пристрої обчислювальної техніки
та систем керування”

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Одеса – 1999

Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Черкаському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти України.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор, Шарапов Валерій Михайлович, завідувач кафедрою приладобудування Черкаського інженерно-технологічного інституту.
Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України,
доктор технічних наук, професор Куценко Альфред Миколайович, завідувач кафедрою загальної і теорети¬чної фізики Одеського державного політе¬хнічного університету;

доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, завідувач науково-дослідною лабораторією
”Сенсорна електроніка” Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова.

Провідна установа Вінницький державний технічний університет, м. Вінниця.
Захист відбудеться 30 вересня 1999 р. о 1330год. на засі¬данні спеціалізованої вченої ради Д41.052.01. в Одеському державному по¬літехнічному університеті за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, корп. 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського державного по¬літехнічного університету за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 07.07.1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, професор Ямпольский Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення та створення нових елементів та пристроїв для систем керування, приладобудування та обчислювальної техніки, зокрема первинних п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин. Аналіз наукової і патентної інформації, вітчизняного і закордонного ринків дозволяє зробити ряд висновків:
– п’єзоелектричні перетворювачі, нарівні з напівпровідниковими, є найбільш перспективними та інтенсивно розвиваються. Це пов’язано з їхньою твердотільністю, відносною простотою, відсутністю (для багатьох модифікацій) необхідності в джерелі живлення й іншими перевагами;
– незважаючи на значні зусилля, що прикладаються спеціалістами і фірмами в даній галузі, багато параметрів п’єзоперетворювачів потребують поліпшення.
Від характеристик первинних вимірювальних перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування і регулювання, приладів контролю технологічних процесів та характеристик навколишнього середовища, безпека роботи ядерних, теплових, хімічних установок, літальних апаратів і морських об’єктів, тому роботи зі створення нових і удосконалюванню відомих перетворювачів є дуже актуальні.
Слід також відзначити, що в нашій країні не налагоджене виробництво п’єзоелектричних перетворювачів статичного і динамічного тисків, лінійних і вібраційних прискорень для ракетної техніки, авіації й випробувальної техніки, систем керування й обчислювальної техніки, перетворювачів для не руйнуючого контролю, та ін.
Придбання ж таких перетворювачів за кордоном дуже проблематичне через їхню високу ціну. Наприклад, ціна одного з перетворювачів фірми “Kistler Instrumente AG” порівняна з ціною вітчизняного автомобіля.
Робота виконувалась у відповідності з держбюджетною фундаментальною науково-дослідною роботою, держ. реєстраційний №197V015160 “Створення континуальних механіко-математичних моделей та основ аналізу функціональних параметрів і синтезу шаруватих п’єзоелектричних перетворювачів”.
Метою цієї роботи є розробка методів і засобів поліпшення характеристик п’єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу і на цій основі створення конкурентноспроможних зразків цього виду продукції.
Досягнення поставленої мети планувалось:
– шляхом побудови і дослідження фізичних і математичних моделей перетворювачів, які більш точно описують досліджувані перетворювачі;
– дослідженням впливу розмірів і форми елементів перетворювачів, електричних режимів роботи і схем включення перетворювачів на їх параметри;
– застосуванням нових (нетрадиційних для даних перетворювачів) елементів, типів коливань і т.д.

В дисертації сформульовано і вирішено такі задачі:
1. Розробити методику і підвищити точність розрахунку круглих компланарних асиметричних біморфних п’єзоперетворювачів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з’єднання.
2. Дослідити вплив:
– розмірів симетричних біморфних компланарних п’єзоперетворювачів на їхню чутливість;
– опору навантаження асиметричних біморфних компланарних п’єзоперетворювачів на точність виміру артеріального тиску;
– розмірів і схеми включення триморфних компланарних перетворювачів на чутливість, частотний діапазон і точність виміру артеріального тиску.
3. Розробити і дослідити метод подавлення синфазних і вібраційних перешкод при вимірюванні артеріального тиску.
4. Розробити методи поліпшення характеристик (чутливості і діапазону відтворених частот) електроакустичних перетворювачів.
5. Дослідити методи підвищення чутливості мономорфних резонансних п’єзоперетворювачів з ультразвуковими концентраторами.

Методи досліджень.
Для рішення поставлених задач використовувалися методи лінійної теорії електропружності, методи теорії автоматичного керування, теорії коливань, радіотехніки, математичної статистики, фізичні експерименти на макетах і дослідних зразках.
Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними і залежностями.
Наукову новизну одержаних результатів складають розвиток відомих ідей і наукове обгрунтування методів розрахунку і побудови конструкцій і технічних рішень п’єзоперетворювачів із поліпшеними технічними характеристиками. У тому числі:
– методика і формула для розрахунку акустичної чутливості круглих компланарних біморфних перетворювачів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з’єднання;
– вперше отримані аналітичні й експериментальні залежності чутливості круглих компланарних асиметричних біморфних перетворювачів від їхніх розмірів, що дозволяють конструювати перетворювачі з оптимальними характеристиками;
– експериментальні залежності чутливості і відношення сигнал/перешкода від опору навантаження п’єзоелектричних перетворювачів тонів Короткова;
– наукове обгрунтування і рекомендації по побудові електроакустичних п’єзоперетворювачів із більш високою чутливістю і смугою частот;
– новий метод виміру параметрів тертя і в’язкості на основі резонансного мономорфного п’єзоперетворювача з ультразвуковим концентратором крутильних коливань;
– наукове обгрунтування і рекомендації по побудові резонансних мономорфних п’єзоперетворювачів контактного типу і на акустично зв’язаних резонаторах.
Наукова та інженерно-технічна новизна результатів досліджень підтверджуються науковими публікаціями і отриманими автором патентами України і Російської Федерації.
Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:
1. Методика і формула для розрахунку акустичної чутливості круглих компланарних біморфних п’єзоелементів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з’єднання дозволяє більш точно оцінювати характеристики перетворювачів і використовується при створенні давачів пульсу, тонів Короткова і електроакустичних перетворювачів.
2. Розроблені методи поліпшення характеристик біморфних і резонансних перетворювачів можуть бути використані при проектуванні перетворювачів для приладобудування, систем керування, медичної техніки та ін.
Розроблені автором перетворювачі підготовлені до серійного виробництва в АТ “Укрп’єзо” (Черкаси), НПО “Ротор”, (Черкаси), НП “Темп” (Северодонецьк).
Особистий внесок здобувача полягає в аналізі наукової та технічної інформації в галузі створення п’єзоелектричних перетворювачів [9,18]. Автор розробила методику і отримала формулу для розрахунку акустичної чутливості компланарних асиметричних біморфних перетворювачів [6], розробила, науково обгрунтувала та експериментально дослідила біморфні та триморфні перетворювачі пульсу тонів Короткова [2, 3, 10-12, 14, 21, 22], електроакустичні перетворювачі [5, 15-17, 19, 20], мономорфні резонансні перетворювачі і перетворювачі з ультразвуковими концентраторами [1, 4, 7, 8, 13], брала участь у лабораторних та виробничих випробуваннях та оцінці їх характеристик.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на 15 науково-технічних міжнародних і республіканських конференціях: на конференції “Actuator-96” (Bremen, 1996); на 51-й науковій сесії, присвяченій Дню радіо, (Москва, 1996); на конференції “Автоматика – 96” (Севастополь, 1996); на конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки сигналов” (Харків, 1996); на 52-й науковій сесії, присвяченій Дню радіо, (Москва, 1997); на конференції “Современная контрольно-испытательная техника” (СКИТ-97) (Київ, 1997); на конференції “Автоматика-97” (Черкаси, 1997); на Міжнародній конференції “Приборостроение-97” (Вінниця, 1997); на Міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки сигналов” (Харків, 1997); на Міжнародній конференції “Metrology And Metrology Assurance” (Bulgaria, 1998); на Міжнародній конференції “Датчик-98” (Москва, 1998); на Міжнародній конференції “СИЭТ3-98” (Київ, 1998); на International Ultrasonics Simposium (Sendai, Japan, 1998); на конференції “Приборостроение-98” (Вінниця, 1998); на конференції “СИЭТ4-98” (Севастополь, 1998).
Публікації. Результати дисертації викладені у 22 основних наукових працях, у тому числі 10 статей у збірниках наукових праць, затверджених ВАК України:
• 6 статей у працях конференції “Автоматика-97”;
• 1 стаття у Віснику Черкаського інженерно-технологічного інституту;
• 1 стаття у Віснику Вінницького державного сільськогосподарського інституту;
• 2 статті у журналі “Вібрації в техніці і технологіях” Серед публікацій також 6 статей у збірниках праць міжнародних конференцій у Росії, Німеччині, Японії, Болгарії і 6 описів до патентів.
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, одного додатка. Дисертація містить 84 рисунки, 3 таблиці та посилання до 116 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність напрямку досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, відбиті наукова новизна і практична цінність роботи, наведені відомості про апробацію, публікації, зведення про використання результатів досліджень.
В першому розділі подано аналіз робіт в галузі створення п’єзоелектричних перетворювачів для приладобудування і систем керування. Проаналізовано вітчизняну і закордонну інформацію щодо п’єзоелектричних перетворювачів (давачів). Показано, що інтенсивно розвиваються як давачі на кремнієвих мікроструктурах, так і п’єзоелектричні. Серед останніх значний інтерес представляють компланарні асиметричні біморфні перетворювачі, а також резонансні. Лідерами в цій галузі є фірми “Kistler Instrumente AG” (Швейцарія), “Brüel and Kjer” (Данія), “Endevco” (США), “Morgan Matroc” (Великобританія) і ін.
Показано також, що незважаючи на значні зусилля, що прикладаються спеціалістами і фірмами, багато параметрів п’єзоперетворювачів потребують удосконалювання.
У другому розділі вивчені фізичні і математичні моделі компланарних асиметричних біморфних п’єзоперетворювачів. Уміння аналітично оцінювати властивості п’єзоперетворювачів із метою вибору згодом оптимальних параметрів має істотне значення при їхньому конструюванні.
Слід зазначити, що незважаючи на конструктивну простоту перетворювачів, їхні математичні моделі дуже складні. Це пов’язано не тільки з їхньою анізотропією, але і з необхідністю враховувати одночасно вплив механічних рухів і електромагнітного поля.
У даній роботі вивчені компланарні біморфні п’єзоперетворювачі найбільше поширеної круглої форми. Для цих перетворювачів установлені залежності між чутливістю перетворювача в дорезонансній області – області, у якій вони найбільше широко використовуються – і розмірами. Крім того, у цих дослідженнях врахований вплив характеристик клейового з’єднання й електродів.
До складу перетворювача входять п’ять однорідних прошарків: металева мембрана, прошарок клею, електроди, п’єзокераміка.
Задача вирішувалася в такий спосіб. Складалися рівняння руху в циліндричній системі координат, що найбільше зручна з погляду простоти рішення. Складалися також рівняння лінійної теорії пружності, що зв’язують тензори деформації з компонентами вектора переміщень (так звані співвідношення Коші).
Електромагнітне поле в матеріалі описувалося перетвореними рівняннями Максвела. Далі записувалися рівняння стану, тобто матеріальні співвідношення п’єзоефекту.
Розв’язок цих рівнянь виконано при використанні методу гіпотез і варіаційного принципу Гамільтона при відповідних електричних і механічних граничних умовах, обумовлених геометрією перетворювача, і для функції прогину має вигляд:
W1( ) = [ -2(1- ) 2-4 +1-2 ]+
+ Uвих( 2-2 -1);
W2( ) = { -2 [ +( + )(1- )]+ (1)
+1-a-4(1- )-4 }+ Uвих( ),
де W – прогин; – циліндрична згинна жорсткість; m3, m4 – згинні моменти; – радіус прогину; – п’єзомодуль; – статичний тиск; – радіус мембрани; rp– радіус п’єзоелемента; – координати, що відраховуються від серединної поверхні п’єзокерамічного диска; – постійна механічна напруга; *1 – відношення товщин: мембрани до п’єзопластини; – товщина п’єзокерамічної пластини; – планарний коефіцієнт електромеханічного зв’язку;

Статична чутливість по тиску визначається відношенням вихідного сигналу Uвых до тиску:
Г = = – G, (2)

де = ; G = .

Ефективний коефіцієнт електромеханічного зв’язку можна визначити по формулі :

Kеф = (3)

Проведені розрахунки показали, що, чим менше товщина мембрани, клею, електродів і п’єзоелементів, тим вище значення максимального прогину і відповідно чутливості. Навпаки, чим більше значення діаметра металевої мембрани, тим вище значення максимального прогину, що легко бачити з наведених формул для прогинів. Водночас варто врахувати, що технологія виготовлення п’єзокерамічних плівок і стійкість матеріалів п’єзокераміки і металевої мембрани накладають обмеження на граничні значення їхніх геометричних розмірів.
З формули розрахунку акустичної чутливості легко побачити також, що для досягнення максимального значення необхідно вибрати матеріал п’єзокераміки з найбільшим значенням g31, якнайменшим значенням товщини і якнайбільшим значенням радіуса мембрани. Проте граничні розміри металевої мембрани обмежуються міцністю її матеріалу при вигині.
Як очевидно з рисунка 1, акустична чутливість п’єзоперетворювача, у якого металева мембрана і п’єзоелемент виготовлені з латуні і п’єзокераміки ЦТС-19, своє максимальне значення приймає в області 0,8 * 1,6 при 0,2 0,9. Наведені залежності свідчать про існування області оптимальних відношень товщини мембрани до товщини п’єзоелемента, що забезпечують максимальне значення чутливості. Розрахунки також показали, що зі збільшенням товщини клейового прошарку значення акустичної чутливості зменшується.
У третьому розділі вивчені методи керування характеристиками компланарних біморфних п’єзоперетворювачів, використовуваних у медичній техніці та електроакустиці.
Зокрема, встановлено, що для симетричних (п’єзокераміка-п’єзокераміка) біморфних п’єзоперетворювачів чутливість може бути підвищена в 1,5-1,6 разів при зменшенні (на відміну від відомих конструкцій) діаметра одного з п’єзоелементів. Чутливість симетричних біморфних п’єзокерамічних перетворювачів може бути також підвищена в 2-3 рази при впливі на біморфний елемент статичної сили, що прикладається перпендикулярно вектору поляризації. На цьому принципі можуть бути також побудовані датчики статичних зусиль і тисків, причому, на відміну від відомих резонансних датчиків, біморфний п’єзоелемент збуджують акустичним полем на нерезонансній частоті.
Вивчено також вплив опору навантаження біморфного елемента на точність виміру артеріального тиску п’єзоелектричними перетворювачами. Як відомо, точність виміру артеріального тиску значною мірою залежить від точності визначення моменту появи першого тону Короткова на фоні сигналів пульсу. Оскільки сигнали тонів Короткова відрізняються від сигналів пульсу по спектру, навантаження перетворювачів тонів Короткова на активний опір, що вибирається зі співвідношення 1/830 СП

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020