Біморфні п’єзоперетворювачі динамічних тисків з підсилювачами заряду зі зворотним зв’язком

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.3.537.228.1

БІМОРФНІ П'ЄЗОПЕРЕТВОРЮВАЧІ ДИНАМІЧНИХ ТИСКІВ З ПІДСИЛЮВАЧАМИ ЗАРЯДУ ЗІ ЗВОРОТНІМ ЗВ'ЯЗКОМ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

ТУЗ Вячеслав Валерійович

Черкаси - 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, доцент Мусієнко Максим Павлович, Черкаський державний технологічний університет, професор 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 фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, директор експертного центру “Сенсорна електроніка”.

Захист відбудеться " 10 " жовтня 2007 р. о 14⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

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

Автореферат розісланий “_8__”___Вересня_______2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради В.В. Палагін

Туз В.В. Биморфные пьезопреобразователи динамических давлений с усилителями заряда с обратной связью. - 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 совершенствованию научно-технической базы проектирования пьезокерамических преобразователей для систем управления и др.

В диссертации обоснована цель актуальность направления исследования, проведен обзор известных методов и преобразователей давления. Наибольший интерес представляют биморфные датчики давления. Определены их недостатки - малая чувствительность, небольшой рабочий диапазон частот ограниченный резонансной частотой.

Для достижения поставленной цели были изучены математические, схемотехнические модели биморфного пьезоэлемента. Построена структурная схема биморфного пьезоэлемента, получены зависимости выходного напряжения от частоты при традиционном подключении и с учетом пространственно энергосиловой структуры пьезоэлемента.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования пьезокерамических пьезопреобразователей с пьезоэлементом, размещенным в цепи обратной связи усилителя, получены структурные схемы, амплитудно-частотные, фазо-частотные, а также переходные характеристики. Определена зависимость выходного напряжения пьезопреобразователей от величины емкости в цепи обратной связи операционного усилителя. Исследования устойчивости с использованием критерия Найквиста показали, что пьезопреобразователи с усилителями заряда и обратной связью являются устойчивыми системами при любом расположении электродов на пьезоэлементе. Построение биморфных пьезопреобразователей по схеме доменно-диссипативного пьезопреобразователя приводит к подавлению колебательных свойств и соответственно линеаризации частотных характеристик.

В работе впервые разработаны пьезопреобразователи с двухконтурной обратной связью с использованием усилителя заряда в основном канале обратной связи и усилителя напряжения в дополнительном канале обратной связи. Экспериментальные исследования показали, что пьезопреобразователи с двухконтурной обратной связью с использованием усилителя заряда в основном канале обратной связи и усилителя напряжения в дополнительном канале обратной связи имеют большую температурную и временную стабильности. Разработаны структурные пьезопреобразователей, получены передаточные функции, анализ которых позволил получить условие достижения минимума погрешности. Построены графики зависимости коэффициентов согласующих усилителей для различных видов пьезокерамики при достижении минимума погрешности. Построены и исследованы схемотехнические модели, в которых связь между колебательными контурами описана не через RC цепь, а взаимоиндукцию, что ,как было доказано, является более точным описанием. Получены и исследованы амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, а также переходные характеристики при различных способах подключения пьезокерамики. Проведено исследование на устойчивость систем, которое показало, что все системы с двухконтурной обратной связью с использованием усилителя заряда в основном канале обратной связи и усилителя напряжения в дополнительном канале обратной связи являются устойчивыми системами.

В диссертационной работе получило дальнейшее развитие математическое и схемотехническое моделирование пьезокерамических пьезопреобразователей с двухконтурной обратной связью с усилителем заряда в обоих каналах обратной связи, за счет уточнения способа взаимосвязи колебательных контуров, учета возможности использования полиморфных пьезоэлементов, а также учета влияния воздействия силы на весь объем пьезоэлемента, которые позволяет более точно описывать процессы происходящие в пьезопреобразователе, что дало возможность проектировать пьезопреобразователи с повышенными техническими характеристиками.

Проведены экспериментальные исследования пьезопреобразователей с одно- и двухконтурной обратной отрицательной связью на температурную и временную стабильности, которое показало преимущества двухконтурной обратной связи.

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

Ключевые слова: полиморфный пьезоэлемент, одно- и двухконтурная обратная связь, биморфный, усилитель заряда и напряжения.

Туз В.В. Біморфні п'єзоперетворювачі динамічних тисків з підсилювачами заряду зі зворотним зв'язком. - Рукопис.

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

Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню науково-технічної бази проектування п'єзокерамічних перетворювачів динамічних тисків для систем керування та ін.

У дисертаційній роботі розроблені й досліджені структурні схеми, амплітудно-частотні і фазо-частотні характеристики, передавальні функції, перехідні характеристики. Отримали подальший розвиток математичне і схемотехнічне моделювання п'єзоперетворювачів з одно- і двоконтурним просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком з підсилювачами заряду

Вперше розроблені п'єзоперетворювачі з двоконтурним зворотним зв'язком з використанням підсилювача заряду в основному каналі зворотного зв'язку і підсилювача напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку, що дозволяє проектувати п'єзоперетворювачі з більшою температурною і часовою стабільністю.

Отримані аналітичні вирази для досягнення мінімуму похибки вимірювання п'єзоперетворювачів з одно- і двоконтурним просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком.

Ключові слова: поліморфний п'єзоелемент, одно та двоконтурний зворотній зв'язок, біморфний, підсилювач заряду та напруги.

Tuz V.V. Bymorphic piezoelectric transducers of dynamic pressure with amplifiers of a charge with a feedback. - Manuscript.

The dissertation for the obtaining the candidate of Technical Science Degree by the speciality 05.13.05 - elements and devices of computer's equipment and control systems. Cherkassy state technological university, Cherkassy, 2007.

Dissertational work is devoted to perfection of scientific and technical base of engineering piezoceramic transformers for the control systems.

In dissertational work block diagrams, peak-frequency and phase-frequency characteristics, transfer function, transition curves are developed and investigated. The further development mathematical and circuit simulation of piezoelectric transducers with one and a twocontour spatial electromechanical negative feedback with amplifiers of a charge has received.

For the first time the creation of piezoelectric transducers with a twocontour feedback with use of the amplifier of a charge in the basic channel of a feedback and the amplifier of an electrical pressure in the additional channel of a feedback that allows to project piezoelectric transducers with greater temperature and temporary stability is developed.

Analytical expressions for achievement of a minimum of a measuring error of piezoelectric transducers with one- and a twocontour spatial electromechanical negative feedback are received.

Keywords: the polymorphic piezoelement, the one-contour and twocontour feedback, bуmorphic, the amplifiers of a charge and pressure.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення й створення нових п'єзоперетворювачів для систем керування, обчислювальної техніки й приладобудування, зокрема динамічних датчиків тиску.

Від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування й регулювання, приладів контролю технологічних процесів, навколишнього середовища, безпека роботи літальних апаратів і морських об'єктів, тому роботи зі створення нових й вдосконаленню відомих перетворювачів є досить актуальними.

У гідро- і електроакустиці, вимірювальній техніці й інших областях для контролю й виміру багатьох фізичних величин - сили, динамічного й статичного тиску, в'язкості й інших величин широке застосування знайшли п'єзоперетворювачі. Вони мають високу чутливість, малі габарити й масу, високу перешкодозахищеність, малий рівень власних шумів, підвищену стійкість до радіації. Розробками п'єзоперетворювачів динамічних тисків займалися багато вчених: Джагупов Р. Г., Жуков В. Б., Шарапов В. М. й ін. Досягнуто значних результатів у цій області, внаслідок чого була розроблена велика кількість перетворювачів. Однак основним їхнім недоліком є мала резонансна частота п'єзоелемента, що обмежує робочий діапазон перетворювачів. Наприклад, для вирішення ряду завдань у гідроакустиці потрібні п'єзоперетворювачі з діапазоном частот значно більшим, ніж мають розроблені конструкції перетворювачів. Крім того, такі традиційні проблеми п'єзокерамічних перетворювачів, як температурна й часова нестабільності параметрів п'єзокераміки, також знижують технічні характеристики.

Ці проблеми були частково вирішені в роботах Шарапова В. М. та Мусієнка М. П. Вони запропонували використовувати розроблені ними нові типи перетворювачів - домено-дисипативні, а також застосовувати одно- та двоконтурний просторові електромеханічні зворотні зв'язки. Однак розробки були проведені загалом для мономорфних перетворювачів, крім того були допущені деякі припущення в описах моделей, що призвело до певних неточностей при дослідженні перетворювачів.

Тому роботи з удосконалення поліморфних, зокрема найбільш поширених біморфних п'єзоперетворювачів динамічних тисків для отримання нових властивостей, розширення робочого діапазону частот, а також підвищення стабільності температурних і часових параметрів п'єзоперетворювачів систем керування є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до трьох робіт: двох держбюджетних науково-дослідних робіт: “Розробка методів синтезу п'єзокерамічних перетворювачів статичного і динамічного тиску і лінійних та вібраційних прискорень із заданими характеристиками” (держ. реєст. № 103U003690); “Розробка методів синтезу п'єзокерамічних перетворювачів з урахуванням просторової енергосилової структури п'єзоелемента й багатоконтурних ланцюгів зворотного зв'язку” (держ. реєст. № 0106U004499); а також відповідно до науково-технічної роботи за договором з МОНУ №Дз/115-2006 від 05.04.2006 - “Розробка сенсорів гідроакустичних антен й електроакустичних перетворювачів для судів різного класу” (держ. реєст. № 6.06.23).

Мета і завдання дослідження. Вдосконалення біморфних п'єзоперетворювачів динамічних тисків для отримання нових властивостей, розширення робочого діапазону частот, а також підвищення стабільності температурних і часових параметрів п'єзокерамічних перетворювачів систем керування.

Для досягнення поставленої мети, необхідно виконати такі завдання:

- Побудувати й дослідити математичні й схемотехнічні моделі п'єзокерамічних п'єзоперетворювачів при підключенні п'єзоелемента в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача заряду;

- Побудувати й дослідити математичні моделі п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному й напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку;

- Побудувати й дослідити схемотехнічні моделі п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному й напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку;

- Розробити математичні й схемотехнічні моделі п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачами заряду;

- Провести експериментальні дослідження розроблених перетворювачів.

Об'єкт дослідження - біморфні п'єзоперетворювачі динамічних тисків.

Предмет дослідження - методи й засоби вдосконалення біморфних п'єзоперетворювачів динамічних тисків з підсилювачами заряду зі зворотним зв'язком.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої задачі використовувалися методи теорії автоматичного керування, теорії коливальних систем із зосередженими параметрами, теорії електричних ланцюгів. При аналізі властивостей п'єзокерамічних перетворювачів використовувалися математичні методи (рішення диференційних рівнянь і рівнянь п'єзоефекту), методи електромеханічних аналогій. Для аналізу перетворювачів використані також методи схемотехнічного й математичного моделювання з використанням ПЕОМ, фізичні експерименти на макетах і дослідницьких зразках.

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними й залежностями, виготовленням дослідних зразків і їх випробуванням.

Наукова новизна отриманих результатів:

- Одержали подальший розвиток математичне й схемотехнічне моделювання п'єзокерамічних перетворювачів при підключенні п'єзоелемента в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача заряду, що дозволило проектувати такі типи перетворювачів з кращими технічними характеристиками.

- Вперше розроблені п'єзоперетворювачі з двоконтурним зворотним зв'язком з використанням підсилювача заряду в основному каналі зворотного зв'язку й підсилювача напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку, що дозволило проектувати п'єзоперетворювачі з більшою стабільністю параметрів; побудовані й досліджені математичні моделі.

- Вперше побудовані й досліджені схемотехнічні моделі п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному й напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку, що дозволило проводити теоретичні дослідження таких типів перетворювачів.

- Одержали подальший розвиток математичне й схемотехнічне моделювання п'єзоперетворювачів із двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному та додатковому каналі зворотного зв'язку за рахунок уточнення способу взаємозв'язку коливальних контурів, врахування поліморфної структури п'єзоперетворювачів, а також за рахунок врахування впливу сили на весь об'єм п'єзоелемента.

Практичне значення одержаних результатів полягає в:

- Розширено науково-технічну базу проектування п'єзокерамічних перетворювачів для систем керування з біморфними п'єзоелементами;

- Застосування двоконтурного зворотного зв'язку в п'єзоелементах дає можливість створювати п'єзоперетворювачі з властивостями не тільки коливальних, але й диференційних, інтегруючих, диференційно-інерційних та інших ланок, дає можливість створювати біморфні п'єзоперетворювачі динамічних тисків з істотно розширеним робочим діапазоном частот;

- Застосування п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному й напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку дає більшу температурну й часову стабільність у порівнянні з іншими п'єзоперетворювачами;

- Застосування уточнених моделей п'єзоперетворювачів дає можливість більш точно описувати процеси, які відбуваються в п'єзоперетворювачі, що дозволяє проектувати перетворювачі з підвищеними технічними й експлуатаційними властивостями;

- Результати досліджень використовуються в промисловості, зокрема, у НВК “Фотоприлад” (Черкаси) і ВАТ “Укрп'єзо”, а також у навчальному процесі з дисципліни "Перетворюючі пристрої приладів" у Черкаському державному технологічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Результати роботи опубліковані в 32 публікаціях. Здобувачу особисто належить: [1-4,6] - розробка та дослідження математичних моделей; [1,2,6,4,11] - схемотехнічне моделювання на ЕОМ; [1,2,6,4,11] - аналіз структурних схем; [5,7,8,11] - дослідження теоретичних залежностей; [1-4,9,12-32] - проведення експериментальних досліджень; [3,4,6,9,12-32] - отримання висновків за результатами досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 6 міжнародних конференціях і симпозіумах: XIII International Symposium on Theoretical Electrical Engineering (Lviv, 2005); VII Міжнародна молодіжна науково-практична конференція "Людина і космос" (Дніпропетровськ, 2005); Міжнародна науково-технічна конференція "Приладобудування-2004”, (Вінниця-Ялта, 2004); "Сучасні інформаційні й електронні технології" (Одеса, 2005, 2006); V науково-технічна конференція “Приладобудування: стан і перспективи” (Київ, 2006). Публікації. Результати дисертації опубліковані в 32 основних наукових працях, у тому числі в 3 статтях у журналах, затверджених ВАК України, а також: 7 доповідях і тезах на міжнародних конференціях; 21 патентах України на винаходи. Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. Дисертація містить 132 сторінки, 75 рисунків, 12 таблиць, список використаних джерел з 76 найменувань та 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність напрямку дослідження, сформульовані мета й завдання дослідження, відображені наукова новизна й практична цінність роботи, наведені дані про апробацію, публікації й застосування результатів дослідження.

В першому розділі проведено аналіз робіт в області створення п'єзоперетворювачів, наведений огляд відомих методів поліпшення п'єзоперетворювачів. Наведено їхні переваги й недоліки. Велику цікавість представляють біморфні п'єзоперетворювачі динамічних тисків. Наведено відомі конструкції перетворювачів. Виявлено їхні недоліки - малий робочий діапазон, температурна й часова нестабільність п'єзокераміки, сформульовані мета й завдання досліджень.

В другому розділі представлено розроблені математичні й схемотехнічні моделі біморфних п'єзоперетворювачів при підключенні підсилювача заряду за традиційною схемою, а також при розміщенні п'єзоелемента в ланцюзі зворотного зв'язку. В роботі були досліджені п'єзоперетворювачі при врахуванні просторової енергосилової структури п'єзоелемента.

Еквівалентна схема заміщення біморфного п'єзоелемента і його структурна схема представлена на рис. 1.

Рис. 1. Біморфний п'єзоелемент:

а - еквівалентна схема п'єзоелемента, б - структурна схема;

С_ПЕ - міжелектродна ємність; C_K, L_K, R_ПЕ - динамічна ємність, індуктивність й опір, L_П, R_П - параметри, що описують властивості пластини

Коефіцієнти передач і передатні функції мають вигляд:

, , ,

,

де p - оператор Лапласа, Е - модуль Юнга, F - сила, що діє на п'єзоелемент, В, R - товщина й радіус мембрани, R₁- радіус п'єзоелемента, µ - коефіцієнт Пуассона, о, - деформація п'єзоелемента, S - площа електроду п'єзоелемента, у - механічна напруга, d₃₁ - п'єзомодуль.

На рис. 2 і 3 представлена залежність вихідної напруги від частоти біморфного п'єзоелемента і його перехідна характеристика.

Рис. 2. Залежність вихідної напруги від частоти: а - традиційного п'єзоперетворювача, б - доменно-дисипативного перетворювача

Залежності вихідної напруги п'єзоперетворювача від значень ємності в ланцюзі зворотного зв'язку наведені на рис. 4.

Для п'єзоперетворювачів за схемою включення п'єзоелемента, традиційного підключення та у ланцюзі зворотного зв'язку, до підсилювача заряду були складені структурні схеми й передатні функції, які представлені на рис. 5.

Рис. 5. Структурна схема п'єзоперетворювачів

Пунктирною лінією показана схема підключення для п'єзоперетворювача з п'єзоелементом в ланцюгу зворотного зв'язка підсилювача заряду.

На рис. 5 W₁ - коефіцієнт передачі ланки, що відповідає перетворенню сили F, що діє на п'єзоелемент, у деформацію п'єзоелемента ; W₂ - перетворення у заряд q на електродах п'єзоелемента; W₃(р) - перетворення заряду q у струм I_q, що створює п'єзоелемент; W₄(р) - перетворення сумарного струму у вхідне напруги, що надходить на вхід підсилювача U_ВХ; W₅ - підсилення підсилювача заряду; W₆(р) - перетворення вихідної напруги підсилювача U_ВИХ у струм зворотного зв'язку I_ЗЗ, що протікає через конденсатор зворотного зв'язку операційного підсилювача; W₇(р) - передача вихідної напруги підсилювача U_ВИХ у напругу між електродами п'єзоелемента U_ПЕ; W₈ - перетворення U_ПЕ в деформацію п'єзоелемента ^/.

Передавальна функція п'єзоперетворювача при традиційному підключенні:

, (1)

при розташуванні п'єзоелемента в ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача заряду:

. (2)

Аналіз передавальних функцій дозволив отримати характеристики, одна з яких представлена на рис. 6.

Для даних схем підключення були побудовані схемотехнічні моделі, одна з яких представлена на рис. 7. При дослідженні моделей були отримані АЧХ, ФЧХ і перехідні характеристики, визначена залежність вихідної напруги від величини ємності в ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача.

Було визначено, що розміщення п'єзоелемента в ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача заряду призводить до подавлення резонансу. Підключення п'єзоелемента за схемою доменно-дисипативного п'єзоперетво-рювача призводить до повної лінеаризації амплітудно-частотної характеристики.

Деякі результати експериментальних досліджень показані на рис. 8, 9.

Рис. 7. П'єзоперетворювач із п'єзоелементом у ланцюзі зворотного зв'язку: а - схемотехнічна модель, б - амплітудно-частотна характеристика

Рис. 8. Схема й характеристики традиційного п'єзоперетворювача:

а - схема; б - відгуки на механічний гармонічний вплив з постійною амплітудою та змінною частотою; в, м - відгуки на імпульсні впливи

Рис. 9. Схема й характеристики п'єзоперетворювачів:

а, г - схема; б, д - відгуки на механічні гармонійний вплив з постійною амплітудою та змінною частотою; в, е - відгуки на імпульсні впливи

Залежно від схеми підключення п'єзоелемента (по відношенню вектора напруженості поля електричної напруги Е до вектора поляризації Р), перетворювач може бути коливальною ланкою (рис. 9,а,б,в), диференційною ланкою з інерційними властивостями (рис. 9, г, д, е) і ідеальною підсилювальною ланкою. При підключенні п'єзоелемента в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача заряду по схемі доменно-диссипативного перетворювача (рис. 9,г), відгук на механічний вплив у всьому частотному діапазоні лінійний (рис. 9,д). У результаті цього розширюється в кілька разів робочий діапазон частот п'єзоперетворювача.

В третьому розділі розглянуті п'єзоперетворювачі із двоконтурним зворотним зв'язком. За допомогою теорії керування розроблена структурна схема, схемотехнічна модель п'єзоперетворювача. Отримані АЧХ і ФЧХ п'єзоперетворювачів, а також критерії стійкості змодельованої системи.

В ланцюгах зворотних зв'язків, в якості узгоджуючих підсилювачів можуть застосовуватися як підсилювачі напруги так і підсилювачі заряду.

Для п'єзоперетворювачів з підсилювачем заряду в основному каналі й підсилювачем напруги в додатковому каналі, з урахуванням напрямку вектора поляризації Р, сили F, а також напруженості вихідного Е, існує 9 варіантів перетворювачів, деякі з них представлені на рис. 10.

Структурна схема такого перетворювача представлена на рис. 11.

Рис. 10. П'єзоперетворювачі із двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному й підсилювачем напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку



Рис. 11. Структурна схема п'єзоперетворювача із двоконтурним зворотним зв'язком з вихідним підсилювачем заряду й підсилювачем напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку

На рис. 11 ланки W₁₃(р) - перетворення q^/ у напругу на електродах п'єзоелемента U^/_ПЕ1; W₁₄(р) - перетворення U^/_ПЕ1 у напругу на вході підсилювача напруги; W₁₅ - підсилення підсилювача напруги.

Передавальна функція п'єзоперетворювача має вигляд:

(3)

Аналіз виразу дозволив установити, що мінімум похибки перетворювачів досягається при виконанні умови:

, (4)

де K_ПЗ, K_ПН - коефіцієнти підсилення підсилювачів заряду й напруги, С_ПЕ, R_ПЕ - ємність й опір п'єзоелемента, С_К - ємність з'єднаного кабелю, С_ВХ - ємність вхідного ланцюга підсилювача заряду, С_ЗЗ - ємність у ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача, С_ВИХ, R_ВИХ - ємність й опір вихідного ланцюга підсилювачів, l - відстань між електродами.

Схемотехнічна модель одного з типів п'єзоперетворювачів, що розглядаються, представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схемотехнічена модель із двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду в основному й підсилювачем напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку (в області першого гармонійного резонансу)

Деякі АЧХ і ФЧХ схемотехнічної моделі, залежно від способу підключення, показані на рис. 13 й 14.

Годографи Найквіста для різних схем перетворювачів показані на рис. 15.

Як видно з рис. 15, годограф Найквиста, при різних значеннях опорів, не перетинає вісь Re у її негативній частині й перебуває у квадрантах III й IV. Отже, п'єзоперетворювачі, що розглядаються є стійкими системами.

В четвертому розділі розроблені й досліджені схемотехнічні моделі п'єзоперетворювачів із двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачами заряду. Отримані АЧХ і ФЧХ п'єзоперетворювачів, перехідні характеристики, розглянуті питання стійкості системи.

Для п'єзоперетворювачів з двома підсилювачами заряду, з урахуванням напрямку вектора поляризації Р, прикладеної сили F, а також способу розміщення електродів на п'єзоелементі, існує 12 варіантів перетворювачів, деякі з них представлені на рис. 16.



Рис. 16. П'єзоперетворювачі з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачами заряду

Структурна схема п'єзоперетворювачів представлена на рис. 17.

(5)

Рис. 17. Структурна схема п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачами заряду

Аналіз функції дозволив встановити, що мінімум похибки перетворювачів досягається при виконанні умови:

(6)

Одна з схемотехнічних моделей п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком представлена на рис. 18.

Рис. 18. Схемотехнічна модель реалізації двоконтурного зворотного зв'язку з підсилювачами заряду.

На рис. 19 й 20 показані АЧХ і ФЧХ досліджуваної моделі при різному підключенні п'єзоелемента у схему перетворювача в основному (яке, у першу чергу, задається зміною значення динамічного опору R₁), а також у ланцюзі зворотного зв'язку (яке задається зміною значення динамічного опору R₈).



Рис. 19. АЧХ (а) і ФЧХ (б) при різних значеннях R₁: 1 - 1 кОм; 2 - 21 кОм; 3 - 41 кОм; 4 - 61 кОм

Рис. 20. АЧХ (а) і ФЧХ (б) при різних значеннях R₈:1 - 1 кОм; 2 - 21 кОм; 3 - 41 кОм; 4 - 61 кОм

Отримано годографи Найквиста для різних схем перетворювачів (рис. 21), досліджені характеристики.

У ході експериментальних досліджень п'єзоперетворювачів з двоконтурним зворотним зв'язком встановлено, що використання такого зворотного зв'язку дозволяє, залежно від обраної схеми, збільшити в 1,4-2,0 рази температурну і у 1,1-1,7 рази часову стабільність, у порівнянні з одноконтурним зворотним зв'язком, і в 6-10 разів температурну й в 3,5-10 разів часову стабільності, у порівнянні з перетворювачами без зворотних зв'язків.

Крім того, змінюючи способи підключення п'єзоелемента до підсилювачів заряду (міняючи напрямок вектора прикладеної сили F, вектора поляризації Р, та напруженості вихідного вектора Е), вдається змінювати чутливість, зменшувати або збільшувати коливальні властивості перетворювачів і створювати перетворювачі з диференційно-інерційними й іншими властивостями (рис. 22).

Проведено порівняльний аналіз технічних характеристик розроблених п'єзоперетворювачів з перетворювачами деяких відомих фірм виробників. Аналіз результатів показує (табл. 1), що розроблені п'єзоперетворювачі мають розширений робочий діапазон частот, підвищену температурну стабільність, а також підвищену чутливість у порівнянні з відомими зразками.

Рис. 22. П'єзоперетворювачі з двома підсилювачами заряду: а, г - схема;

б, д - відгуки на механічні гармонійний вплив з постійною амплітудою й змінною частотою; в, е - відгуки на імпульсні впливи

Таблиця 1

Порівняльні характеристики п'єзоперетворювачів

Назва	Діапазон частот, Гц	Робоча темпера-тура, 0С	Температур-на не стабіль-ність, %	Чутливість, В/(н/м2) 10-5
MA40E7R/S“Murata”	до 40000	-30...… 85	-	10
ДПС012 “НПО Валентина”	40-50000	-60...… 700	-	8
ПМ-1, ПМ-3, ПМ-65 “РДФ НИИФИ”	50-20000	25...300 25...700 5....550	10-15	10 3 10
ППМ-1	-	-40...… 150	-	15
ПДС-21 ,“Элпа”	5-600	-25..50	10-15	10
ДПС 009, ДПС 014	10.…50000	-253. 700	-	4..14
ДХС 513..ДСХ 517	2...…10000	-196. 200	-	1-3
Розроблений	2...>100000	-	5-7	15

ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження, спрямовані на вдосконалення п'єзоелектричних перетворювачів, які використаються в системах автоматичного керування, приладобудуванні, а також у вимірювальній техніці, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використалися коректні й достовірні методи досліджень. Отримані результати використаються в промисловості і у навчальному процесі.

2. Результати досліджень, розроблені методи й пристрої розширили науково-технічну базу проектування п'єзокерамічних перетворювачів для систем керування з біморфними п'єзоелементами, що дозволяє створювати зразки п'єзотехніки з характеристиками, що перевищують кращі зразки закордонних фірм-виробників у цій області.

3. Проведене математичне й схемотехнічне моделювання п'єзокерамічних п'єзоперетворювачів з п'єзоелементом, розміщеним у ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача заряду, а також з двоконтурним зворотним зв'язком з підсилювачем заряду, за рахунок уточнення способу взаємозв'язку коливальних контурів, врахування поліморфних п'єзоелементів, а також врахування впливу сили на весь об'єм п'єзоелемента.

4. Розроблені і досліджені п'єзоперетворювачі з двоконтурним зворотним зв'язком з використанням підсилювача заряду в основному каналі зворотного зв'язку й підсилювача напруги в додатковому каналі зворотного зв'язку, які мають кращу температурну та часову стабільність у порівнянні з другими двохконтурними п'єзоперетворювачами.

5. В результаті досліджень встановлено, що застосування двоконтурного зворотного зв'язку в п'єзоелементах дає можливість створювати п'єзоперетворювачі з властивостями не тільки коливальних, але й диференційних, інтегруючих, диференційно-інерційних й інших ланок, дає можливість створювати біморфні п'єзоперетворювачі динамічних тисків з істотно розширеним робочим діапазоном частот

6. Отримані аналітичні вирази для розрахунку коефіцієнтів підсилення узгоджуючих підсилювачів, які забезпечують досягнення мінімуму похибки вимірювання п'єзоперетворювачів з двоконтурним просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. До дослідження п'єзоелектричних перетворювачів з підсилювачем заряду // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2006. - №1. - С. 98-101.

2. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. П'єзоелектричний перетворювач із п'єзоелементом у ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача заряду // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2006. - №2. - С. 118-120.

3. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. On the research of piezoelectric transformers with the charge amplifier // Вісник Черкаського державного технологічного університету. Спецвипуск. - 2006. - С. 276-280.

4. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. Research of piezoelectric converters which two-planimetric feedback with a charge amplifiers // Вісник Черкаського державного технологічного університету. Спецвипуск. - 2006. - С. 281-283.

5. Шарапов В. М., Мусієнко М. П., Туз В. В. Моделювання п'єзокерамічних перетворювачів // Праці VIІ міжн. молодіжної НПК “Людина й космос”, Дніпропетровськ. - 2005. - С. 244.

6. Sharapov V.М.,.Marchenko S.V., Tuz V.V. The Research of Piezomagnetic Sensors of Number of Turns of Working Mechanisms Billows // Proceedings of the XIII International Symposium on Theoretical Electrical Engineering, Lviv, Ukraine. - 2005. - С. 373-375.

7. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В., Филимонов С. Дослідження перетворювачів із двоконтурним зворотним зв'язком // V науково-технічна конференція “Приладобудування стан і перспективи” Київ. - 2006. - С. 163.

8. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Трембовецька Р.В., Марченко С.В., Раєвський Н.В., Плосконос Н.Ю., Туз В.В. П'єзоперетворювачі з п'єзоелементом у ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача заряду з каналом зворотного зв'язку // Праці VI межд. НПК “Сучасні інформаційні й електронні технології-2005”, Одеса. - 2005. - С. 276.

9. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Трембовецька Р.В., Марченко С.В., Раєвський Н.В., Плосконос Н.Ю., Туз В.В. Дослідження п'єзомагнітних датчиків частоти обертання робочих валів // Праці VI межд. НПК “Сучасні інформаційні й електронні технології-2005”, Одеса. - 2005. - С. 277

10. Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В., Филимонов С. П'єзодатчики із двоконтурним просторовим електромеханічним зворотним зв'язком // Праці VII межд. НПК “Сучасні інформаційні й електронні технології-2006”, Одеса. - 2006. - С. 277.

11. Шарапов В.М., Мусієнко М.П.,, Марченко С.В., Туз В.В. Магнітні п'єзодатчики тахометрів // Праці міжн. НТК “Приладобудування-2004”, Вінниця-Ялта. - 2004. - С. 4-6.

12. Патент України 8607. П'єзоелектричний трансформатор / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Бондаренко Ю.Ю., Плосконос Н.Ю., Туз В.В. - МКИ Н01F38/24 по заявці №200500333 від 14.01.2005, опубл. 15.08.05, Бюл. №8.

13. Патент України 8610. П'єзоелектричний трансформатор / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Бондаренко Ю.Ю., Плосконос Н.Ю., Туз В.В. - МКИ Н01F38/24 по заявці №200500337 від 14.01.2005, опубл. 15.08.05, Бюл. №8.

14. Патент України 8611. П'єзоелектричний трансформатор / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Бондаренко Ю.Ю., Плосконос Н.Ю., Туз В.В. - МКИ Н01F38/24 по заявці №200500338 від 14.01.2005, опубл. 15.08.05, Бюл. №8.

15. Патент України 12410. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01R31/02 по заявці №200505700 від 13.06.2005, опубл. 15.02.06, Бюл. №2.

16. Патент України 12411. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505701 від 13.06.2005, опубл. 15.02.06, Бюл. №2.

17. Патент України 12415. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК A01C 1/0 по заявці №200505745 від 13.06.2005, опубл. 15.02.06, Бюл. №2.

18. Патент України 12416. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505757 від 13.06.2005, опубл. 15.02.06, Бюл. №2.

19. Патент України 12884. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В., Куницька Л.Г. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505624 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

20. Патент України 12891. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505685 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

21. Патент України 12893. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В., Чудаєва І.Б. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505687 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

22. Патент України 12895. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В., Куницька Л.Г. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505690 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

23. Патент України 12896. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505692 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

24. Патент України 12902. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505714 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

25. Патент України 12922. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505787 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

26. Патент України 12926. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505793 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

27. Патент України 12928. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505823 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

28. Патент України 12929. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505825 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

29. Патент України 12930. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505829 від 13.06.2005, опубл. 15.03.06, Бюл. №3.

30. Патент України 11226. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505632 від 13.06.2005, 15.12.05, Бюл. №12.

31. Патент України 11225. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505626 від 13.06.2005, 15.12.05, Бюл. №12.

32. Патент України 13495. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Чудаєва І.Б., Туз В.В. - МПК G01L 1/16 по заявці №200505715 від 13.06.2005, опубл. 17.04.06, Бюл. №4.

Размещено на Allbest.ru