автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Первичные микроволновые преобразователи механических величин на основе диэлектрических резонаторов

На правах рукописи Львова Ирина Александровна

ПЕРВИЧНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Специальность: 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 МЮН 2011

Рязань 2011

4849497

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Жулев Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор A.C. Совлуков

кандидат технических наук, доцент Б.Н. Сажин

Ведущая организация:

ФГУП «Государственный рязанский приборный завод»

Защита состоится 22 июня 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.211.04 в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г.Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Автореферат разослан «<&? » ¿¿&2А 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

А.Г. Борисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Получение информации о параметрах элементов истем управления, их изменениях в ходе работы и эксплуатации ромышленного оборудования, приборов и всевозможных объектов редставляет собой первоочередную задачу при оценке качества и надежности х работы. Поэтому разработка и создание высокоэффективных измерительных стройств, в частности - первичных преобразователей, в области измерения, онтроля и оценки стабильности работы различного рода систем управления, а акже изменения их состояния в ходе эксплуатации имеют приоритетное начение.

В настоящее время (и в перспективе) одной из актуальных и технически ложных задач является измерение угловых и линейных перемещений одвижных органов многочисленных систем автоматического управления азличными объектами. Эту функцию выполняют преобразователи еремещений.

В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим азнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, ысоких технических требований. К их числу в первую очередь относятся ысокая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и асса, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, ехнологичность и низкая стоимость.

Современная промышленность выпускает широкий спектр реобразователей механических величин (в частности, перемещений) различных ипов, основанных на различных физических принципах и имеющих пределенные области применения. Наибольшей разрешающей способностью орядка 0,01-0,001 мкм обладают емкостные, индуктивные, фотоэлектрические, азерные преобразователи, а также преобразователи на поверхностно-кустических волнах (ПАВ). Однако при решении определенных задач данные реобразователи имеют ряд недостатков. Лазерные и фотоэлектрические змерительные преобразователи требуют проведения измерений в зоне прямой идимости; сложны в изготовлении, что обусловливает их высокую стоимость; меют высокие массогабаритные характеристики, что создает определенные удности при встраивании этих преобразователей в системы управления, мкостные, индуктивные, потенциометрические и ПАВ - преобразователи при остаточно высоких точности, разрешающей способности и приемлемых ассогабаритных параметрах имеют некоторые ограничения по нижнему ределу рабочих температур.

Следует отметить, что в настоящее время значительными ункциональными возможностями при исследовании параметров хнологических процессов и различных систем управления обладают [иоволновые методы, которые активно используются на протяжении ескольких десятков лет. Основные принципы построения радиоволновых еобразователей изложены в работах В.В. Никольского, Я.Д. Ширмана, .А. Викторова, Б.В. Лункина, A.C. Совлукова, Г.В. Глебовича. Выходными нформативными параметрами являются резонансные частоты различных типов лебаний и добротность резонаторов, характеристики электромагнитных волн в аправляющих системах. В качестве чувствительных .^ементоз (ЧЭ)

радиоволновых преобразователей контактного и бесконтактного типов

используются частично излучающие и открытые резонаторы, запредельные структуры. Однако при использовании данного типа преобразователей в ряде случаев повышение точности измерений физической величины достигается путем усложнения конструкции и тщательного подбора материалов. Это приводит к существенному росту стоимости изготовления преобразователей, увеличению массогабаритных параметров, что недопустимо, например, при использовании измерительных преобразователей в высокоточных системах управления движущимися объектами.

Указанных недостатков можно избежать, если использовать в качестве чувствительных элементов первичного преобразователя диэлектрические резонаторы, которые обладают рядом преимуществ: высокая добротность резонаторов даёт возможность существенно повысить точностные характеристики измерительных преобразователей; имеется возможность включения в схему автогенератора для получения непрерывного выходного сигнала; отношение сигнал-шум намного выше, чем у преобразователей других групп.

Поэтому необходимо рассмотреть вопросы проектирования первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе диэлектрических резонаторов (ДР), работающих в частотном диапазоне 1... 10 ГГц. При достаточно высокой добротности и стабильности частоты они отличаются технологичностью, относительно низкой стоимостью, универсальностью применения. Кроме того, использование микроволновых измерительных преобразователей в системе управления контролируемого объекта обеспечит: повышение чувствительности и точности измерения параметров; малые массогабаритные характеристики, а следовательно, простое встраивание этих преобразователей в технологические и управляющие системы; устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов в рабочем диапазоне температур; расширение рабочего диапазона до области криогенных температур.

Разрабатываемые первичные микроволновые преобразователи в силу указанных свойств могут применяться для контроля параметров высокоточных систем управления движущимися объектами, а также для проведения испытаний энергодвигательных установок ракетных комплексов, в том числе и при криогенных температурах.

Принцип действия данного типа преобразователей основан на изменении резонансной частоты в зависимости от воздействия на резонатор перемещающегося возмущающего тела. Причем форма и параметры материалов, из которых изготовлены ДР и возмущающий элемент, определяют диапазон измеряемой величины. В большинстве современных конструкций диапазонных колебательных систем (КС) на ДР перестройка частоты осуществляется посредством возмущения поля колебаний диэлектрического резонатора металлическим элементом. Обычно в таких системах ограничиваются малой полосой перестройки - порядка нескольких процентов от значения нижней частоты диапазона. Перестройка частоты в более широких пределах приводит к существенному ухудшению добротности и характеристик устройства, в котором она не-*<.>/■'< ■ -. СЧыако гели использовать в качестве возмущающего элемента

диск из диэлектрика, то диапазон перестройки, а следовательно, и измеряемой величины можно увеличить в несколько раз.

Исследованию параметров и разработке методов анализа ДР низших типов колебаний посвящены работы В.А. Мальцева, JI.B. Алексейчика, И.И. Бродуленко, В.М. Геворкяна. Распространение колебаний высших типов в ДР и их математические модели освещены в работах Ю.В. Прокопенко, Ю.Ф. Филиппова. Методы измерения физических характеристик анизотропных материалов для ДР при криогенных температурах представлены в работах В.Н. Егорова, И.Н. Мальцевой и A.C. Воловикова. Развитее методов исследования электрических, физических и метрологических характеристик параметрических преобразователей на ДР осуществлялось группой ученых J.G. Hartnett, C.R. Locke, E.N. Ivanov, M.E. Tobar, A.G. Mann. Несмотря на то, что к настоящему времени проведено уже достаточно много исследований на предмет поиска эффективных методов моделирования и расчета колебательных систем на основе диэлектрических резонаторов, эта задача но-прежнему представляет значительный интерес ввиду многообразия их конструкций и сложности теоретического анализа.

Важным моментом при исследовании характеристик первичных преобразователей любого типа является анализ функции чувствительности. Для этого чаще всего используют теоретические модели электромагнитных устройств, которые в основном ведут к уравнениям, не имеющим известного точного решения, за исключением случая простых структур. Именно поэтому решение наиболее часто сводя г к численным методам типа метода конечных разностей или конечного элемента. Однако они имеют существенные недостатки, особенно в случае анализа функции чувствительности, т.к. полностью численные методы влекут за собой периодически повторяющиеся вычисления, где единственная формула дает искомый результат, что значительно увеличивает вычислительные затраты.

Следует отметить, что в настоящий момент не существует единой методики расчета преобразователей механических величин на cckoes ДР, которая позволяет с высокой точностью анализировать и проектировать КС с резонаторами различной формы в соответствии с требованиями технических заданий. Необходимость создания такой методики обусловлена требованиями при разработке первичных микроволновых преобразователей механических величин, т.к. получение необходимых параметров путем многократной подгонки размеров элементов первичного преобразователя экономически нецелесообразно.

Таким образом, использование КС с ДР в микроволновом диапазоне длин волн в качестве первичных преобразователей позволяет создавать преобразователи перемещения и давления с очень высокой чувствительностью в широком диапазоне температур, вплоть до криогенных.

Принимая во внимание практическую важность вышеупомянутых вопросов, связанных с разработкой первичных микроволновых преобразователей на диэлектрических резонаторах, можно утверждать, что настоящая диссертационная работа посвящена актуальной теме.

Цель и задачи работы. Основной целью данной работы является разработка первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе диэлектрических резонаторов по заданным требованиям, обеспечивающих повышение точности измерений, а также расширение области их применения. Для достижения поставленной цели необходимо:

1) провести анализ современного состояния устройств измерения параметров элементов систем управления, обосновать подходы к проектированию микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР;

2) разработать методику расчета микроволновых чувствительных элементов на изотропных диэлектрических резонаторах в виде диска с металлическим элементом перестройки частоты;

3) провести моделирование КС с ДР и расчет функции чувствительности на основе метода поперечного резонанса;

4) исследовать зависимости характеристик чувствительного элемента от геометрических и физических параметров электродинамической системы;

5) провести моделирование обобщенной диэлектрической многослойной резонансной структуры методом частичных областей (40), что позволит анализировать и проектировать КС с дисковыми и кольцевыми резонаторами, имеющими широкий спектр физических и геометрических параметров;

6) исследовать зависимость основных характеристик колебательных систем с диэлектрическими элементами перестройки частоты от их геометрических размеров и электромагнитных параметров;

7) разработать обобщенную методику проектирования микроволновых преобразователей механических величин на ДР, которая включает в себя расчет основных параметров преобразователей и позволяет провести оценку их потенциальных характеристик.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика расчета колебательной системы на основе цилиндрических изотропных диэлектрических резонаторов с использованием уточненной модели магнитных стенок во втором приближении, позволяющая в явном виде определять функцию преобразования и величину относительного диапазона перестройки частоты КС на ДР с металлическим возмущающим элементом для построения первичных преобразователей механических величин. Обоснованы преимущества применения ДР в высокочувствительных преобразователях механических величин.

2. Разработана аналитическая модель для оценки резонансной частоты цилиндрических изотропных многослойных ДР в качестве чувствительных элементов, основанная на методе поперечного резонанса. Предложенная модель отличается тем, что позволяет, проводить анализ чувствительности КС относительно её геометрических и физических параметров с наименьшими вычислительными затратами и с погрешностью расчета порядка 1 % для колебания Нт5 и 10 % для колебаний высоких порядков.

3. Разработана методика расчета собственных частот микроволновых первичных преобразователей с неоднородным диэлектрическим заполнением на основе метода частичных областей, позволяющая производить электродинамический анализ КС на ДР, включающих в себя дисковые или

льцевые диэлектрические элементы с общей осью симметрии. Входящий в едлагаемую методику расчетный алгоритм обладает высокой точностью огрешность расчета 0,8 %), относительно быстрой сходимостью, шимальными вычислительными затратами. Впервые на основе частных методик расчета предложен обобщенный подход процессу проектирования первичных микроволновых преобразователей ханических величин с использованием КС на основе ДР, который позволяет следовать и разрабатывать функционально законченные измерительные тройства в соответствии с требованиями технического задания. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложены рианты конструкций первичных микроволновых преобразователей ремещения и давления, позволяющих проводить оценку параметров нтролируемых объектов систем управления. Основными достоинствами иного типа устройств являются: погрешность измерения 0,1...0,2 %, высокая решающая способность (0,01 мкм), широкий диапазон рабочих температур, лоть до криогенных, простота конструктивного исполнения, малые ссогабаритные характеристики, устойчивость к дестабилизирующим кторам.

Практическая значимость работы. Представленные в работе модели и ответствующие методики расчета чувствительных элементов на основе ДР, едназначенные для анализа свойств первичных микроволновых еобразователей, могут быть применены при практическом проектировании нкретных устройств для измерения механических величин.

Методы исследований. В работе применялись методы расчета ектродинамических систем: метод магнитных стенок, элементы теории змущений, метод поперечного резонанса, метод частичных областей, авнения Максвелла. Также использовались численно-аналитические методы ализа параметров систем, математические методы расчета параметров кроволновых устройств. При моделировании и исследовании резонансных стем использовались программные продукты МайаЪ 6.5, МаМетаИса 5.0, ятозХргезз 2007.

Обоснованность и достоверность научных положений, результатов, водов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются: спользованием строгих электродинамических моделей, адекватно ажающих особенности рассматриваемых резонансных структур; оответствием полученных теоретических результатов известным тестовым, ее опубликованным в научно-технической литературе; доведенными экспериментальными исследованиями;

пробацией основных результатов диссертации на XIV, XVII, XVIII российских научно-технических конференциях "Методы и средства ерений физических величин", Нижний Новгород, 2006, 2007 гг.; ктами внедрения результатов диссертационной работы на ФГУП ГРПЗ и в ебном процессе РГРТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 1 тья в инженерном инновационном издании, 4 статьи в межвузовских

сборниках, 3 тезиса докладов, 3 статьи в научно-технических журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета микроволновых чувствительных элементов на основе цилиндрических изотропных диэлектрических резонаторов с использованием модели магнитных стенок во втором приближении, позволяющая посредством функции преобразования в явном виде определять величину относительного диапазона перестройки частоты КС с металлическим возмущающим элементом в пределах 3...10 % с погрешностью 6...8 %.

2. Аналитическая модель для оценки резонансной частоты и функции чувствительности первичного преобразователя на основе цилиндрических изотропных ДР, основанная на методе поперечного резонанса, позволяющая проводить анализ чувствительности КС с погрешностью не более 1 % для основного типа колебания, не более 10 % для колебаний высших порядков с минимальными вычислительными затратами. Результаты анализа функции чувствительности изотропного чувствительного элемента относительно геометрических и физических параметров колебательной системы.

3. Методика расчета микроволновых измерительных преобразователей с неоднородным диэлектрическим заполнением на основе метода частичных областей, позволяющая проводить электродинамический анализ первичного преобразователя на ДР с диэлектрическим возмущающим элементом с погрешностью не более 0,8 %, а также расширить диапазон рабочих измерений в 2...4 раза.

4. Обобщенная методика проектирования микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР, позволяющая исследовать и разрабатывать функционально законченные измерительные устройства в соответствии с требованиями технических заданий.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 85 наименований, приложений. Диссертация содержит 119 страниц основного текста, 33 страницы рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, обоснована их достоверность, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния техники микроволнового диапазона. Проведена классификация диэлектрических резонаторов и измерительных преобразователей. Приведен перечень известных физических эффектов и явлений, заложенных в принцип действия преобразователей физических величин. Сделан вывод о том, что решение задач измерительной техники в системах управления путем использования структур на основе ДР позволяет реализовать новые методы измерения физических величин в микроволновом диапазоне. Исключительно важным для практики является r.ocTf.':'-K" ! г. •огта,"йлк1ЫХ колебательных систем с высокодобротными

диэлектрическими резонаторами, а соответственно и разработка методик расчета таких колебательных систем, позволяющих с высокой точностью рассчитывать их основные параметры.

Во второй главе предлагается методика расчета резонансных частот первичного преобразователя на основе ДР с элементом перестройки в виде металлического диска. На первом этапе рассматривается уточненная расчетная модель для определения резонансной частоты уединенного ДР, учитывающая влияние установки резонатора на диэлектрическую подложку, что соответствует реальным конструктивным решениям устройств на микрополосковых линиях. На втором этапе рассматривается колебательная система с неоднородностью в виде металлического диска, механически жестко связанного с объектом измерений (рисунок 1).

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 с),ММ

Рисунок 1 - Первичный преобразователь с неоднородностью в виде металлического диска, механически жестко связанного с объектом измерений На основе метода магнитных стенок во втором приближении в сочетании с методом малых возмущений получена зависимость частоты перестройки первичного преобразователя от изменения положения подстроечного элемента:

где ал - диаметр диска; с! - расстояние между ДР и диском; а - радиус резонатора; Хр- длина волны, соответствующая резонансной частоте /р колебательной системы из ДР и подложки микрополосковой линии, на которую он установлен; ег - относительная диэлектрическая проницаемость резонатора; ^ - волновое число вне резонатора.

Данная модель в явном виде устанавливает зависимость частоты /рг от изменения геометрических размеров системы с погрешностью 6...3 %

Предложена модель для анализа функции чувствительности измерительного преобразователя на основе диэлектрического резонатора методом поперечного резонанса. В основу методики заложено представление резонансной системы в виде цилиндрической изотропной многослойной диэлектрической структуры, аналогичной круглому волноводу, частично заполненному диэлектрическим материалом (рисунок 2).

2,727

(О

Модель резонансной системы основана на аналогии с линиями передачи. Анализ многослойной структуры методом поперечного резонанса состоит в определении эквивалента линии передачи сложного сечения.

Волновое сопротивление 2С1 /-й эквивалентной линии передачи выражено через постоянную распространения у% следующим образом:

2а=]щ0 /У> Для Нколебания и 2сг у/](йЕфп для Е колебания.

_а^ -► ^___^

£з 1 % ть3[

62 щ Ь2

51 К > ____т^Е

г=о

Рисунок 2 - Модель преобразователя с ДР в виде отрезка волновода круглой формы с диэлектрическим заполнением, основанная на аналогии с линиями передачи

Характеристики диэлектрического материала без потерь - магнита; проницаемость цо и диэлектрическая постоянная £о,£>/- действительные числа.

Для трехслойной структуры (рисунок 2) между характеристическим! параметрами существуют следующие зависимости:

У\ =«1 =

1/2

кп €\

(2)

Тъ ~аз

V

Г 2

■ к0е3

(3)

Гг

= Г,

(4)

где ¿ко - волновое число в вакууме, х„т=^а - корень т функции Бесселя первог рода и и-го порядка; а - постоянная затухания.

Для среднего неоднородного волновода соотношение (4) получено учетом того, что распространение поля происходит вдоль стержня внутри и пол затухает экспоненциально вне стержня. В этом случае характеристическо уравнение связано с волновыми числами & и & в диэлектрической сред среднего слоя и может быть получено посредством метода поперечног резонанса:

- = О

АЫ, „ ^Ы.

- + £■>

для Я0т моды, = О для Е0т моды.

Здесь рд^) и получаются из (7) и (8) при п = 0:

КМЖ^гЬУКкг^'МгЪ). К„(Ьа)1„(£2Ь)-1„&а)К„{{2Ь\

(5)

(6)

(7)

где •/„(')> Л(') - функция Бесселя первого рода и /г-го порядка и соответственно её производная при и = 0; /„(•) и £„(•) -модифицированные функции Бесселя первого и второго рода соответственно и их производные 1„\•),

Если рассматривать электромагнитные процессы в резонансной системе в терминах импеданса отрезка эквивалентной линии передачи на границе раздела Б2 (рисунок 2), то 2+ - импеданс короткозамкнутой линии передачи ТЬ3, с учетом, что 2- - импеданс линии ТЬ2, нагруженной короткозамкнутой линией ТЬ„

Условие резонанса системы в данном случае записывается следующим образом:

+ 2 = 0.

Или через электрическую длину линии:

рк = агс(£

тЫ.

+ аг^

РШ{аг}гг

для колебаний типа Нпт , где (3 - фазовое число, й=й1+й2+йз,

р!г = агс/£

+ агсщ

(9)

(10)

Р \р

для колебаний типа £„„,.

В результате получаем систему трансцендентных уразнений, состоящую из характеристического уравнения (5) или (6) и условия резонанса (9) или (10) в зависимости от типа колебаний. Вычисление резонансных частот производится из решения этой системы и опирается на численные методы (в частности, метод Ньютона).

Особенность представленной модели, а соответственно и методики расчета, заключается в сокращении вычислительных затрат при расчете функции чувствительности, что чрезвычайно важно при исследовании свойств микроволновых преобразователей с чувствительным элементом в виде ДР.

Чтобы вычислить функцию чувствительности, необходимо решить систему уравнений с двумя неизвестными / их, которые так же как и сама функция чувствительности, зависят от параметров р, резонансной структуры. Система в общем случае имеет следующий вид:

Ш,х,...Рп..) = 0,

Решение /Лри ■■■, рп) - неявная функция; и хотя никакое точное символьное выражение не может быть найдено для этого решения, его частные производные могут быть вычислены символьным способом:

8/ _ дх 8р) дх 8pi

др,

дК дР,

дРх дР2

(12)

8/ дх дх 8/

Вычисление функции чувствительности 5р„ которое состоит в нахождении значений частных производных на частоте резонанса /, определяется только вычислительными возможностями компьютера.

На основе приведенной методики исследовано влияние геометрических и электрических параметров структуры на чувствительность преобразователя на резонансных частотах 1...1.3 ГГц к смещению верхней металлической пластины для основного типа колебания Нт5. Значение функции чувствительности составило примерно 30 кГц/мкм. Показано, что погрешность расчета составляет 1 % для колебания #015, 10 % для колебаний высоких порядков. Модель и соответствующие вычисления полезны для анализа общих свойств экранированных цилиндрических многослойных диэлектрических резонаторов, при использовании их в качестве первичных микроволновых преобразователей механических величин в системах управления.

В третьей главе предлагается методика расчета частот собственных колебаний микроволновых первичных преобразователей с неоднородным диэлектрическим заполнением (рисунок 3).

Процедура составления характеристического уравнения рассматриваемой колебательной системы базируется на методе частичных областей с разбиением резонансного объема на отрезки радиальных слоистых волноводов. Использование условий непрерывности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей на границах частичных областей (40) позволяет получить систему функциональных уравнений относительно неизвестных коэффициентов в разложениях полей в каждой 40. Проецируя данную систему на базис собственных функций краевых задач для выделенных частичных областей в виде радиальных слоистых волноводов, получаем бесконечную систему линейных однородных алгебраических уравнений (СЛАУ) относительно этих коэффициентов. Приравниваем к нулю главный определитель редуцированной СЛАУ и получаем характеристическое уравнение для нахождения собственных частот рассматриваемой резонансной структуры.

Поиск корней характеристического уравнения производится с использованием численного метода решения трансцендентных уравнений -метода половинного деления. При расчете спектра резонансных частот потери в диэлектрическом заполнении и металлических стенках экрана полагаются пренебрежимо малыми, т. е. экранирующие поверхности рассматриваются как

идеально проводящие, а диэлектрические проницаемости сред,

заполняющих резонатор, считаются чисто действительными величинами.

Разработанная в данной главе методика расчета резонансных частот применяется для анализа конкретных резонансных структур при использовании их в качестве первичных преобразователей малых перемещений с диэлектрическими элементами перестройки частоты. На основе разработанной методики проведено численное исследование спектров собственных колебаний экранированных дискового и кольцевого диэлектрических резонаторов (ДДР и КДР), перестраиваемых диэлектрическими дисками, работающих на низшем симметричном магнитном колебании (#м) в диапазоне частот 2,1...2,7 ГГц. Были рассчитаны зависимости ширины полосы перестройки и частотного интервала от величины диэлектрической проницаемости подстроечного диска (ПД), соотношения радиуса и высоты диэлектрического резонатора, а также соотношения высот ДР и ПД. Для преобразователя с кольцевым диэлектрическим резонатором также исследовалась зависимость диапазона перестройки от соотношения внешнего и внутреннего диаметров КДР. В результате исследований установлено, что диапазон перестройки ДДР диэлектрическим диском составляет 24 % от нижнего значения частоты (2,17 ГГц), а максимальный диапазон перестройки в системе с КДР составляет почти 50 %. Это позволяет увеличить диапазон измеряемых механических величин по сравнению с преобразователем с металлическим элементом подстройки в 2...4 раза.

Проведен расчет параметров первичного преобразователя на диэлектрических резонаторах из лейкосапфира, работающих на высших азимутальных колебаниях (АК) (рисунок 4), а также анализ функции чувствительности для данного типа преобразователей с целью достоверного её прогнозирования для любого расстояния между диэлектрическими дисками и определения геометрии, которая могла бы увеличить функцию чувствительности.

НЧ?

■ X

а

Рисунок 4 - Первичный преобразователь на основе аксиально-симметричных диэлектрических резонаторов, возбуждаемых на высших азимутальных колебаниях: а - схематичное изображение; б - функция чувствительности

Рассмотрена возможность оптимизации функции чувствительности с омощью выбора номера колебания в азимутальном направлении. Для редставленной КС оптимальной является мода типа Е "шепчущей галереи" с имутальным индексом номер 7 для резонатора дизме.т -V <•>•. 'чтение

X, №11

б

функции чувствительности составляет около 3,5 МГц/мкм, что является существенным достоинством при использовании преобразователя данного типа для измерения микроперемещений и давлений.

Использование лейкосапфира в качестве материала преобразователя позволяет расширить область применения разрабатываемого типа устройств до криогенных температур.

С использованием теоретических и экспериментальных данных, взятых из отечественных и зарубежных литературных источников, подтверждается высокая точность расчета частот преобразователя (погрешность вычислений 0,8 %) на ДР по разработанной в данной главе методике. Установлено, что основными составляющими погрешности являются неточность значений диэлектрических проницаемостей и ошибка определения параметров, характеризующих потери в материалах резонансной структуры. Поэтому проведен анализ существующих методов и предложены пути повышения точности определения диэлектрических параметров материалов с низкими потерями с использованием мод "шепчущей галереи" в диэлектрических резонаторах.

В четвертой главе на основе результатов методик расчетов первичных преобразователей с ДР различной формы и металлическими и диэлектрическими элементами перестройки частоты, предложенных в главах 2 и 3, представлен обобщенный подход к процессу проектирования микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР. Обобщенная структура преобразователя механических величин представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структура преобразователя механических; величин Первичный преобразователь на основе микроволнового ДР обеспечивает изменение резонансной частоты в зависимости от воздействия на резонатор перемещающегося возмущающего тела. Частотный преобразователь 1 ограничивает входной синусоидальный сигнал по амплитуде, запрещая прохождение отрицательной полуволны, а также ограничивает сигнал сверху на заданном уровне, что обеспечивает совместимость с ТТЬ-уровнями логических сигналов. На следующем этапе реализуется перенос рабочих частот преобразователя в область рабочих частот цифровых устройств. Частотный преобразователь 2 выполняет измерение частоты, а функциональный преобразователь на завершающем этапе реализует вычисление перемещений. Обобщенная методика расчета микроволновых преобразователей подобного типа приведена на схеме (рисунок 6). В предлагаемой методике основным критерием выбора чувствительного элемента является диапазон рабочих температур А1. Если ДГ =(-60...+125)°С, то чувствительный элемент - ДР низшего типа колебаний (Ж), иначе, при Д/ близких к температуре жидкого азота (77 К) и до -60°С-ДР АК.

Выбор формы ЧЭ зависит от диапазона перестройки А///н резонансной частоты всего первичного преобразователя, где /н - начальная частота диапазона. Как показали проведенные в главах 2 и 3 исследования, если А///„ ~(3...20) %, то в качестве чувствительного элемента целесообразно использовать дисковые ДР, а если А///н ~ (20...50) %, то кольцевые ДР.

Рисунок 6 - Схема обобщенной методики проектирования микроволновых преобразователей механических величин

Выбор элемента подстройки также зависит от диапазона перестройки. Если Д/% = (3...10) %, то используем металлический элемент перестройки, а если А/%, > 10 %, то диэлектрический.

Расчет собственных частот преобразователя с ДР производится в зависимости от вида колебательной системы. Если преобразователь с подстроечным элементом (ПЭ) в виде металлического диска, то расчет производится по методу магнитных стенок во втором приближении. Если ПЭ из диэлектрика, то - по методу 40. Зависимость резонансной частоты преобразователя от смещения возмущающего тела позволяет определить относительный диапазон перестройки.

Далее необходимо выполнить проверку условия:

Ш)Расч<(ЬЮшР, (13)

где (АШ^расч - расчетное значение относительного диапазона перестройки; (А///„)тр - требуемое значение относительного диапазона перестройки в соответствии с требованиями технического задания.

Если это условие удовлетворяется, то необходимо провести уточнение параметров первичного преобразователя по принципу электродинамического подобия или изменить параметры преобразователя с учетом результатов исследований, проведенных в главах 2 и 3 настоящей работы. Данная процедура повторяется до тех пор, пока выполняется условие (13).

Для оценки метрологических характеристик и основных параметров разрабатываемого микроволнового преобразователя с заданной точностью проведен расчет измерителя частоты, который обеспечивает точность измерения перемещения не хуже ±0,01 мкм.

На основе представленной методики проектирования разработаны конструкции микроволновых преобразователей микроперемещений и давлений, а также проведена оценка их потенциальных характеристик. В частности, преобразователь микроперемещений на основе ДР из высокочастотной керамики ТБНС с параметрами ег=80, а=6,5 мм, Л=7 мм с металлическим (медным) элементом перестройки частоты диаметром 15 мм и толщиной 0,05 мм прошел испытания в составе стендового оборудования проверки лазерных систем управления по соответствующей методике, оформленной в виде протокола испытаний.

Установлено, что разработанный преобразователь имеет следующие параметры: относительная девиация частоты за счет изменения положения металлической пластины составляет величину порядка 3...5 % от начального значения 2863 МГц; динамический диапазон устройств с использованием такого типа резонаторов можно оценить величиной 1,5; разрешающая способность по перемещению, учитывая, что интервал расстояний эффективного воздействия неоднородностей равен 1,5...3,5 мм, составляет (1,0...1,5)-10"8 м; точность измерений перемещений 5 мкм, что соответствует погрешности измерения 0,1-0,2%; температурный коэффициент частоты для используемого в экспериментах ДР из керамики ТБНС равен (1,8...2)х10б 1/°С в диапазоне температур -60...+60 °С; долговременная стабильность частоты (5... 100)-10б достигает величины порядка у лучших образцов.

Сравнительный анализ спроектированного преобразователя

перемещений с преобразователями других типов, выпускаемых современной промышленностью, показал, что разработанный преобразователь прост в исполнении, не уступает по основным параметрам преобразователям других типов, а в ряде' случаев имеет преимущество при работе на нижнем пределе температурного диапазона, чувствительности и точности измерения параметров; просто встраивается в управляющие системы; устойчив к воздействию дестабилизирующих факторов в рабочем диапазоне температур. С целью улучшения метрологических характеристик микроволновых преобразователей рассмотрена потенциальная возможность улучшения параметров преобразователя за счет выполнения корпуса совместно с упругим элементом и остальных частей конструкции из плавленого кварца. Одной из важнейших характеристик плавленого кварца является его чрезвычайно низкий коэффициент расширения: 5,5х 10'7 мм. Это свойство делает его крайне полезным для производства устройств, для которых необходима минимальная чувствительность к температурным изменениям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния устройств измерения параметров элементов систем управления, обоснованы подходы к проектированию первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе

ДР.

2. Разработана методика расчета резонансных частот колебательной системы, работающей на колебании основного типа на основе цилиндрических диэлектрических резонаторов с металлическим элементом перестройки частоты, основанная на модели магнитных стенок во втором приближении. Она позволяет в явном виде установить функцию преобразования (зависимость резонансной частоты от изменения геометрических размеров системы и её физических параметров) с погрешностью 6...8 %.

3. На основе метода поперечного резонанса разработана аналитическая модель расчета резонансной частоты цилиндрических многослойных диэлектрических чувствительных элементов, которая позволяет проводить анализ чувствительности относительно геометрических или физических параметров с минимальными вычислительными затратами. Погрешность расчета - 1 % для колебания Я010% для колебаний высоких порядков.

4. На базе метода частичных областей разработана методика расчета частот собственных колебаний экранированного цилиндрического преобразователя с неоднородным осесимметричным диэлектрическим заполнением. Данная методика включает в себя алгоритм, обладающий относительно быстрой сходимостью, высокой точностью (погрешность вычислений 0,8 %), минимальными вычислительными затратами, т.к. не предполагает вычисления определителей высоких порядков, даже в случае сложных конфигураций первичного преобразователя.

5. Исследованы диапазонные свойства экранированных микроволновых колебательных систем на основе дисковых и кольцевых диэлектрических резонаторов, перестраиваемых диэлектрическими дискам:! Устаиозлено, что

максимально возможный диапазон перестройки частоты рабочего колебания (Яг Г) при использовании дисковых диэлектрических резонаторов из высокочастотной керамики не превышает 24 % от значения начальной частоты диапазона (2,17 ГГц), в то время как в кольцевых ДР, перестраиваемых диэлектрическими дисками из материалов с низкими потерями, возможно достижение относительной полосы перестройки до 50 %. Это позволяет расширить рабочий диапазон измерений по сравнению с металлическим элементом подстройки примерно в 2...4 раза (до 6...8 мм).

6. На основе частных методик расчета впервые разработана обобщенная методика проектирования микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР, которая позволяет исследовать и разрабатывать функционально законченные измерительные устройства в соответствии с требованиями технических заданий.

7. На основе полученных результатов расчета первичных преобразователей на ДР разработаны конструкции микроволновых измерительных преобразователей микроперемещений и давлений, а также проведена оценка их потенциальных характеристик. Установлено, что спроектированные устройства на ДР надежны, просты в исполнении и не уступают по основным параметрам преобразователям других типов, а в ряде случаев имеют преимущество при работе на нижнем пределе температурного диапазона.

8. На основе проведенного диссертационного исследования решена важная научно-прикладная задача разработки первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе диэлектрических резонаторов по заданным требованиям, обеспечивающих повышение точности измерений, а также расширение области их применения. Ее решение является определенным вкладом в теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств систем управления с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Васильев Е.П., Круглякова И.А. Особенности проектирования селективных и управляющих устройств для информационно-измерительных систем // Информационно-измерительная и биомедицинская техника. Рязань: РГРТА,

2005. С.115-122.

2. Васильев Е.П., Круглякова И.А. Анализ интерактивных методов параметрической оптимизации при проектировании микроволновых устройств для информационно-измерительных и управляющих систем // Информационно-измерительная и биомедицинская техника. Рязань: РГРТА, 2005. С.122-129.

3. Львова И.А. Методика расчета характеристик параметрического преобразователя перемещения на диэлектрическом резонаторе // Информационно-измерительная и биомедицинская техника. Рязань: РГРТУ,

2006. С.129-137.

4. Васильев Е. П., Круглякова И.А. Моделирование микроволновых датчиков на диэлектрических резонаторах // Материалы XIV всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин".

Нижний Н\т.г-.11;лд. 2006. С.29-30.

5. Васильев Е.П., Жулев В.И., Львова И.А. Исследование чувствительности параметрического преобразователя перемещения на диэлектрическом резонаторе // Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке. Рязань. РГРТУ. 2006. С.138-141.

6. Львова И. А. Методика моделирования диэлектрического резонатора с использованием метода поперечного резонанса // Материалы XVII Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". Нижний Новгород. 2007. С.27-28.

7. Львова И.А. Исследование параметров преобразователя перемещения на диэлектрическом резонаторе // Материалы XVIII Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". Нижний Новгород. 2007. С.27-28.

8. Львова И.А. Анализ возможностей использования мод «шепчущей галереи» для измерения диэлектрических параметров материалов с низкими потерями // Перспективные проекты и технологии. Вып.2. 2008. С.32-41.

9. Васильев Е.П., Жулев В.И., Львова И.А. Проектирование измерительных преобразователей механических величин на объемных диэлектрических резонаторах //Датчики и системы. № 4 (119). 2009.С.9-12.

Ю.Львова И.А. Моделирование колебательной системы на основе диэлектрического резонатора для микроволновых измерителей физических величин // Вестник РГРТУ. Вып. 32. №2. Рязань. 2010. C.8S-93. П.Львова И.А. Исследование параметров колебательных систем для микроволновых измерительных преобразователей // Вестник РГРТУ. Вып. 36. №2. Рязань. 2011. С.120-122.

Львова Ирина Александровна

ПЕРВИЧНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 16.05.2011. Формат бумаги 60х84 1/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, д.59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ.

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 ОБОСНОВАНИЕ ПОДХОДОВ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА

МИКРОВОЛНОВЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ

1.1 Вводные замечания.

1.2 Классификация и разновидности диэлектрических резонаторов.

1.3 Генераторы с перестройкой частоты — преобразователи механических величин.

1.4 Классификация измерительных преобразователей механических величин.

1.5 Постановка задачи.

1.6 Выводы.

2 ПЕРВИЧНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ИЗОТРОПНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ С

МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

2.1 Вводные замечания.

2.2 Расчет частоты колебательной системы с цилиндрическим диэлектрическим резонатором на основе метода малых возмущений с использованием модели магнитных стенок во втором приближении.

2.3 Модель для анализа чувствительности первичного преобразователя на основе метода поперечного резонанса.

2.3.1 Описание чувствительного элемента.

2.3.2 Моделирование чувствительного элемента по методу поперечного резонанса.

2.4 Исследование зависимости характеристик чувствительного элемента от геометрических и физических параметров резонансной структуры.

2.5 Выводы.

3 ПЕРВИЧНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА

ОСНОВЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

РЕЗОНАТОРОВ С НЕОДНОРОДНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ

ЗАПОЛНЕНИЕМ

3.1 Вводные замечания.

3.2 Анализ экранированных плоскопараллельных радиальных слоистых волноводов с одноосной анизотропией и произвольным количеством диэлектрических слоев.

3.3 Постановка задачи о собственных колебаниях и вывод характеристических уравнений цилиндрического резонатора с аксиально-симметричным диэлектрическим заполнением.

3.4 Исследование ДР с перестройкой частоты диэлектрическими дисками.

3.5 Диэлектрические резонаторы, возбуждаемые на высших азимутальных колебаниях.

3.6 Сравнение результатов расчета по разработанной методике с результатами, полученными с использованием других методов.

3.7 Анализ возможностей использования мод "шепчущей галереи" для измерения диэлектрических параметров материалов с низкими потерями.

3.8 Выводы.

4 ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

4.1 Вводные замечания.

4.2 Обобщенная методика проектирования первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе

4.3 Экспериментальные исследования.

4.4 Микроволновый преобразователь давления на основе

4.5 Выводы.

Актуальность работы. Получение информации о параметрах элементов систем управления, их изменениях в ходе работы и эксплуатации промышленного оборудования, приборов и всевозможных объектов представляет собой первоочередную задачу при оценке качества и надежности их работы. Поэтому разработка и создание высокоэффективных измерительных устройств, в частности — первичных преобразователей, в области измерения, контроля и оценки стабильности работы различного рода систем управления, а также изменения их состояния в ходе эксплуатации имеют приоритетное значение.

В настоящее время (и в перспективе) одной из актуальных и технически сложных задач является измерение угловых и линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют преобразователи перемещений.

В> целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований. К их числу в первую очередь относятся высокая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, технологичность и низкая стоимость.

Современная промышленность выпускает широкий спектр преобразователей механических величин (в частности, перемещений) различных типов, основанных на различных физических принципах и имеющих определенные области применения. Наибольшей разрешающей способностью порядка 0,01.0,001 мкм обладают емкостные, индуктивные, фотоэлектрические, лазерные преобразователи, а также преобразователи на поверхностно-акустических волнах. Однако при решении определенных задач данные преобразователи имеют ряд недостатков. Лазерные и фотоэлектрические измерительные преобразователи требуют проведения-измерений в зоне прямой видимости; сложны в изготовлении, что обусловливает их высокую стоимость; имеют высокие массогабаритные характеристики, что создает определенные трудности при встраивании этих преобразователей в системы управления. Емкостные, индуктивные, потенциометрические и ПАВ - преобразователи при достаточно высоких точности, разрешающей способности и приемлемых массогабаритных параметрах имеют некоторые ограничения по нижнему пределу рабочих температур.

Следует отметить, что в настоящее время значительными функциональными возможностями при исследовании параметров технологических процессов и различных систем управления обладают радиоволновые методы, которые активно используются на протяжении нескольких десятков лет. Основные принципы построения радиоволновых преобразователей изложены в работах В.В. Никольского, Я.Д. Ширмана, В.А. Викторова, Б.В. Лункина, A.C. Совлу-кова, Г.В. Глебовича [1 - 5]. Выходными информативными параметрами являются резонансные частоты различных типов колебаний и добротность резонаторов, характеристики электромагнитных волн в направляющих системах. В качестве чувствительных элементов радиоволновых преобразователей контактного и бесконтактного типов используются частично излучающие и открытые резонаторы, запредельные структуры. Однако при использовании данного типа преобразователей в ряде случаев повышение точности измерений физической величины достигается путем усложнения конструкции и тщательного подбора материалов. Это приводит к существенному росту стоимости изготовления преобразователей, увеличению массогабаритных параметров, что недопустимо, например, при использовании измерительных преобразователей в высокоточных системах управления движущимися объектами.

Указанных недостатков можно избежать, если использовать в качестве чувствительных элементов первичного преобразователя диэлектрические резонаторы, которые обладают рядом преимуществ: высокая добротность резонаторов даёт возможность существенно повысить точностные характеристики измерительных преобразователей; имеется возможность включения в схему автогенератора для получения непрерывного выходного сигнала; отношение сигнал-шум намного выше, чем у преобразователей других групп.

Поэтому необходимо рассмотреть вопросы проектирования первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе диэлектрических резонаторов, работающих в частотном диапазоне 1.10 ГГц. При достаточно высокой добротности и стабильности частоты они отличаются технологичностью, относительно низкой стоимостью, универсальностью применения. Кроме того, использование микроволновых измерительных преобразователей в системе управления контролируемого объекта обеспечит: повышение чувствительности и точности измерения параметров; малые массогабаритные характеристики, а следовательно, простое встраивание этих преобразователей в технологические и управляющие системы; устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов в рабочем диапазоне температур; расширение рабочего диапазона до области криогенных температур.

Разрабатываемые первичные микроволновые преобразователи в силу указанных свойств могут применяться для контроля параметров высокоточных систем управления движущимися объектами, а также для проведения испытаний энергодвигательных установок ракетных комплексов, в том числе и при криогенных температурах.

Принцип действия данного типа преобразователей основан на изменении резонансной частоты в зависимости от воздействия на резонатор перемещающегося возмущающего тела. Причем форма и параметры материалов, из которых изготовлены ДР и возмущающий элемент, определяют диапазон измеряемой величины. В большинстве современных конструкций диапазонных колебательных систем на ДР перестройка частоты осуществляется посредством возмущения поля колебаний диэлектрического резонатора металлическим элементом. Обычно в таких системах ограничиваются малой полосой перестройки — порядка нескольких процентов от значения нижней частоты диапазона. Перестройка частоты в более широких пределах приводит к существенному ухудшению добротности и характеристик устройства, в котором она используется. Однако если использовать в качестве возмущающего элемента диск из диэлектрика, то диапазон перестройки, а следовательно, и измеряемой величины можно увеличить в несколько раз.

Исследованию параметров и разработке методов анализа ДР низших типов колебаний посвящены работы В.А. Мальцева, J1.B. Алексейчика, И.И. Бро-дуленко, В.М. Геворкяна [6, 7]. Распространение колебаний высших типов в ДР и их математические модели освещены в работах Ю.В. Прокопенко, Ю.Ф. Филиппова [8, 9]. Методы измерения физических характеристик анизотропных материалов для ДР при криогенных температурах представлены в работах В.Н.Егорова, H.H. Мальцевой и A.C. Воловикова [10, 11]. Развитие методов исследования электрических, физических и метрологических характеристик параметрических преобразователей на ДР осуществлялось группой ученых J.G. Hartnett, C.R. Locke, E.N. Ivanov, M.E. Tobar, A.G. Mann [12, 13]. Несмотря на то, что к настоящему времени проведено уже достаточно много- исследований на предмет поиска эффективных методов моделирования и расчета колебательных систем на основе диэлектрических резонаторов, эта задача по-прежнему представляет значительный интерес ввиду многообразия их конструкций и сложности теоретического анализа.

Важным моментом при исследовании характеристик первичных преобразователей, любого типа является анализ функции чувствительности. Для этого чаще всего используют теоретические модели электромагнитных устройств, которые в основном ведут к уравнениям, не имеющим известного точного решения, за исключением случая простых структур. Именно поэтому решение наиболее часто сводят к численным методам типа метода конечных разностей или конечного элемента. Однако они имеют существенные недостатки, особенно в случае анализа функции чувствительности, т.к. полностью численные методы влекут за собой периодически повторяющиеся вычисления, где единственная формула дает искомый результат, что значительно увеличивает вычислительные затраты.

Следует отметить, что Bi настоящий момент не существует единой методики расчета преобразователей механических величин на основе ДР, которая позволяет с высокой точностью анализировать и проектировать КС с резонаторами различной формы в соответствии с требованиями технических заданий. Необходимость создания такой методики обусловлена требованиями при разработке первичных микроволновых преобразователей механических величин, т.к. получение необходимых параметров путем многократной подгонки размеров элементов первичного преобразователя экономически нецелесообразно.

Таким образом, использование КС с ДР в микроволновом диапазоне длин волн в качестве первичных преобразователей позволяет создавать преобразователи перемещения и давления с очень высокой чувствительностью в широком диапазоне температур, вплоть до криогенных.

Принимая во внимание практическую важность вышеупомянутых вопросов, связанных с разработкой первичных микроволновых преобразователей на диэлектрических резонаторах, можно утверждать, что? настоящая диссертационная работа посвящена актуальной теме.

Цель, и задачи работы. Основной целью данной работы является разработка первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе диэлектрических резонаторов по заданным требованиям, обеспечивающих повышение точности измерений, а также расширение области их применения. Для достижения,поставленной цели необходимо:

1) провести анализ современного состояния устройств измерения параметров элементов систем управления, обосновать подходы к проектированию микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР;

2) разработать методику расчета микроволновых чувствительных элементов на изотропных диэлектрических резонаторах в виде диска с металлическим элементом перестройки частоты;

3) провести моделирование КС с ДР и расчет функции чувствительности на основе метода поперечного резонанса;

4) исследовать зависимости характеристик чувствительного элемента от геометрических и физических параметров электродинамической системы;

5) провести моделирование обобщенной диэлектрической многослойной резонансной структуры методом частичных областей, что позволит анализировать и проектировать КС с дисковыми и кольцевыми резонаторами, имеющими широкий спектр физических и геометрических параметров;

6) исследовать зависимость основных характеристик колебательных систем с диэлектрическими элементами перестройки частоты от их геометрических размеров и электромагнитных параметров;

7) разработать обобщенную методику проектирования микроволновых преобразователей механических величин на ДР, которая включает в себя расчет основных параметров преобразователей и позволяет провести оценку их потенциальных характеристик.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика расчета колебательной системы на основе цилиндрических изотропных диэлектрических резонаторов с использованием уточненной модели магнитных стенок во втором приближении, позволяющая в явном виде определять функцию преобразования и величину относительного диапазона перестройки частоты КС на ДР с металлическим возмущающим элементом для* построения первичных преобразователей механических величин. Обоснованы преимущества применения ДР в высокочувствительных преобразователях механических величин.

2. Разработана аналитическая модель для оценки резонансной частоты цилиндрических изотропных многослойных ДР в качестве чувствительных элементов, основанная на методе поперечного резонанса. Предложенная модель отличается тем, что позволяет проводить анализ чувствительности КС относительно её геометрических и физических параметров с наименьшими вычислительными затратами и с погрешностью расчета порядка 1% для колебания //ois и 10 % для колебаний высоких порядков.

3. Разработана методика расчета собственных частот микроволновых первичных преобразователей с неоднородным диэлектрическим заполнением на основе метода частичных областей, позволяющая производить электродинамический анализ КС на ДР, включающих в себя дисковые или кольцевые диэлектрические элементы с общей осью симметрии. Входящий в предлагаемую методику расчетный алгоритм обладает высокой точностью (погрешность расчета 0,8 %), относительно быстрой сходимостью, минимальными вычислительными затратами.

4. Впервые на основе частных методик расчета предложен обобщенный подход к процессу проектирования первичных микроволновых преобразователей механических величин с использованием КС на основе ДР, который позволяет исследовать и разрабатывать функционально законченные измерительные устройства в соответствии с требованиями технического задания.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложены варианты конструкций первичных микроволновых преобразователей перемещения и давления, позволяющих проводить оценку параметров контролируемых объектов систем управления. Основными достоинствами данного типа устройств являются: погрешность измерения 0,1.0,2 %, высокая разрешающая способность (0,01 мкм), широкий диапазон рабочих температур, вплоть до криогенных, простота конструктивного исполнения, малые массога-баритные характеристики, устойчивость к дестабилизирующим*факторам.

Практическая-значимость работы. Представленные в работе модели и соответствующие методики расчета чувствительных элементов на основе ДР, предназначенные для анализа свойств первичных микроволновых преобразователей, могут быть применены при практическом проектировании конкретных устройств для измерения механических величин.

Методы исследований. В работе применялись методы расчета электродинамических систем: метод магнитных стенок, элементы теории возмущений, метод поперечного резонанса, метод частичных областей, уравнения Максвелла. Также использовались численно-аналитические методы анализа параметров систем, математические методы расчета параметров микроволновых устройств. При моделировании и исследовании резонансных систем; использовались программные продукты Ма1:1аЬ 6.5, МаЛетайса 5.0; СоБтозХргезз 2007.

Обоснованность и достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:

• использованием строгих электродинамических моделей, адекватно отражающих особенности рассматриваемых резонансных структур;

• соответствием полученных теоретических результатов известным тестовым, ранее опубликованным в научно-технической литературе;

• проведенными экспериментальными исследованиями;

• апробацией основных результатов диссертации на XIV, XVII; XVIII всероссийских научно-технических конференциях "Методы и средства измерений физических величин", Нижний Новгород, 2006, 2007 гг.;

• актами внедрения' результатов диссертационной работы на ФГУП ГРПЗ и в учебном процессе РГРТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 1 статья в инженерном инновационном издании, 4 статьи в межвузовских сборниках, 3 тезиса докладов, 3 статьи в научно-технических журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1;. Методика расчета микроволновых чувствительных элементов на основе цилиндрических изотропных диэлектрических резонаторов с использованием модели магнитных стенок во втором приближении, позволяющая посредством функции преобразования в явном виде определять величину относительного диапазона перестройки частоты КС с металлическим возмущающим элементом в пределах (3.10)% с погрешностью (6. 8) %.

2. Аналитическая модель для оценки резонансной частоты и функции чувствительности первичного преобразователя на основе цилиндрических изотропных ДР, основанная на методе поперечного резонанса, позволяющая проводить анализ чувствительности КС с погрешностью не более 1 % для основного типа колебания, не более 10 % для колебаний высших порядков с минимальными вычислительными затратами. Результаты анализа функции чувствительности изотропного чувствительного элемента относительно геометрических и физических параметров колебательной системы.

3. Методика расчета микроволновых измерительных преобразователей с неоднородным диэлектрическим заполнением на основе метода частичных областей, позволяющая проводить электродинамический анализ первичного преобразователя на ДР с диэлектрическим возмущающим элементом с погрешностью не более 0,8 %, а также расширить диапазон рабочих измерений в 2. .4 раза.

4. Обобщенная методика проектирования микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР, позволяющая исследовать и разрабатывать функционально законченные измерительные устройства в соответствии с требованиями технических заданий.

4.5 Выводы

Перечислим основные результаты, представленные в настоящей главе.

1. На основе частных методик расчета (главы 2 и 3) разработана обобщенная методика проектирования первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР, которая позволяет исследовать и разрабатывать функционально законченные измерительные устройства в соответствии с требованиями технического задания.

2. На основе обобщенной методики расчета разработаны конструкции микроволновых преобразователей микроперемещений и давлений, а также проведена оценка их потенциальных характеристик. Установлено, что рассмотренные устройства надежны, просты в исполнении и не уступают по основным параметрам измерителям других типов, а в ряде случаев имеют преимущество при работе на нижнем пределе температурного диапазона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы решена актуальная задача создания методики расчета' первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе высокодобротных диэлектрических резонаторов. Главной особенностью настоящей работы является ее прикладная направленность, в связи с чем все полученные в ходе ее выполнения теоретические результаты могут быть использованы для решения конкретных практических задач. Основные результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, заключаются в следующем:

1. Разработаны адекватные реальным устройствам математические модели ряда практически важных перспективных конструкций первичных преобразователей механических величин микроволнового диапазона, позволяющие производить исследование параметров их с высокой точностью и минимальными вычислительными затратами.

2. Проведен анализ современного состояния устройств измерения параметров элементов систем управления, обоснованы подходы к проектированию первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР.

3. Разработана методика расчета резонансных частот колебательной систеI мы, работающей на колебании основного типа Н\015, на основе цилиндрических диэлектрических резонаторов с металлическим элементом перестройки частоты, основанная на модели магнитных стенок во втором приближении. Она поI зволяет в явном виде установить функцию преобразования (зависимость резонансной частоты от изменения геометрических размеров системы и её физических параметров) с погрешностью 6.8 %.

4. На основе метода поперечного резонанса разработана аналитическая модель расчета резонансной частоты цилиндрических многослойных диэлектрических чувствительных элементов, которая позволяет проводить анализ чувствительности относительно геометрических или физических параметров с миу нимальными вычислительными затратами. Погрешность расчета около 1 % для колебания Я015, 10% для колебаний высоких порядков.

5. На базе метода частичных областей разработана методика расчета частот собственных колебаний экранированного цилиндрического преобразователя с неоднородным осесимметричным диэлектрическим заполнением. Данная методика включает в себя алгоритм, обладающий относительно быстрой сходимостью, высокой точностью (погрешность вычислений 0,8 %), минимальными вычислительными затратами, т.к. не предполагает вычисления определителей высоких порядков, даже в случае сложных конфигураций первичного преобразователя.

6. Исследованы диапазонные свойства экранированных микроволновых колебательных систем на основе дисковых и кольцевых диэлектрических резонаторов, перестраиваемых диэлектрическими дисками. Установлено, что максимально возможный диапазон перестройки частоты рабочего колебания (//01) при использовании дисковых диэлектрических резонаторов из высокочастотной керамики не превышает 24 % от значения нижней частоты диапазона (2,17 ГГц), в то время как в кольцевых ДР, перестраиваемых диэлектрическими дисками из материалов с низкими потерями, возможно достижение относительной полосы перестройки до 50 %. Это позволяет расширить рабочий диапазон измерений по сравнению с металлическим элементом подстройки примерно в 2.4 раза (до 6.8 мм).

7. На основе частных методик расчета впервые разработана обобщенная методика проектирования микроволновых преобразователей механических величин на основе ДР, которая позволяет исследовать и разрабатывать функционально законченные измерительные устройства в соответствии с требованиями технических заданий.

8. На основе полученных результатов расчета первичных преобразователей на ДР, разработаны конструкции микроволновых измерительных преобразователей микроперемещений и давлений, а также проведена оценка их потенциальных характеристик. Установлено, что спроектированные устройства на ДР надежны, просты в исполнении и не уступают по основным параметрам преобразователям других типов, а в ряде случаев имеют преимущество при работе на нижнем пределе температурного диапазона.

9. На основе проведенного диссертационного исследования решена важная научно-прикладная задача разработки первичных микроволновых преобразователей механических величин на основе диэлектрических резонаторов по заданным требованиям, обеспечивающих повышение точности измерений, а также расширение области их применения. Ее решение является определенным вкладом в теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств систем управления с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик. I I i