автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка пьезоэлектрических преобразователей механических величин полиморфного типа

О772СЬКЇ/Їі'1 '"'£Р>іСАВНИЙ ІЇО/ІЇТііХНІчНМЇ^ '/игоігогтдтсп’

, , о 0.1 и 1 СЕН 1999

УДК 621.3.537.228.1

РОЗРОБКА П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН ПОЛІМОРФНОГО ТИПУ

Спеціальність

05.13.05 - “Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса -1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Черкаському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти України.

Науковий керівник

Офіційні опоненти:

Провідна установа

Захист відбудеться

ЗО

доктор технічних наук, професор, Шарапов Валерій Михайлович, зав. кафедрою приладобудування Черкаського інженерно -технологічного інституту.

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Куценко Альфред Миколайович, зав. кафедрою загальної і теоретичної фізики Одеського державного політехнічного університету;

заслужений діяч науки і техніки України, доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, директор наукового центру «Сенсор» Одеського державного політехнічного університету ім. І.І. Мечникова.

Вінницький державний політехнічний університет, м. Вінниця.

1999 р

.о/*

сю

год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д41.052.01. в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, корп. 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 270044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “ ^ _______ 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої Л І/ І/ /

вченої ради, професор II Уу' Ямпольский Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Робота присвячена актуальним питанням подальшого вдосконалення та створення нових елементів та пристроїв для систем керування, приладобудування та обчислювальної техніки, зокрема первинних п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин. Аналіз наукової і патентної інформації, вітчизняного і закордонного ринків дозволяє зробити ряд висновків:

- п’єзоелектричні перетворювачі, нарівні з напівпровідниковими, є найбільш перспективними та інтенсивно розвиваються. Це пов'язано з їхньою твердотільністю, відносною простотою, відсутністю (для багатьох модифікацій) необхідності в джерелі живлення й іншими перевагами;

- незважаючи на значні зусилля, що прикладаються спеціалістами і фірмами в даній галузі, багато параметрів п’єзоперетворювачів потребують поліпшення.

Від характеристик первинних вимірювальних перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування і регулювання, приладів контролю технологічних процесів та характеристик навколишнього середовища, безпека роботи ядерних, теплових, хімічних установок, літальних апаратів і морських об'єктів, тому роботи зі створення нових і удосконалюванню відомих перетворювачів є дуже актуальні.

Слід також відзначити, що в нашій країні не налагоджене виробництво п’єзоелектричних перетворювачів статичного і динамічного тисків, лінійних і вібраційних прискорень для ракетної техніки, авіації й випробувальної техніки, систем керування й обчислювальної техніки, перетворювачів для контролю, що не руйнує, та ін.

Придбання ж таких перетворювачів за кордоном дуже проблематичне через їхню високу ціну. Наприклад, ціна одного з перетворювачів фірми «Kistler Instrumente AG» порівняна з ціною вітчизняного автомобіля.

Робота виконувалась у відповідності з держбюджетною фундаментальною науково-дослідною роботою, держ. реєстраційний №197V015160 «Створення континуальних механіко-математичних моделей та основ аналізу функціональних параметрів і синтезу шаруватих п’єзоелектричних перетворювачів».

Метою цієї роботи є розробка методав і засобів поліпшення характеристик п’єзоелектричних перетворювачів полиморфного типу і на цій основі створення конкурентоспроможних зразків цього виду продукції.

Досягнення поставленої мети планувалось:

- шляхом побудови і дослідження фізичних і математичних моделей перетворювачів, які більш точно описують досліджувані перетворювачі;

- дослідженням впливу розмірів і форми елементів

перетворювачів, електричних режимів роботи і схем включення перетворювачів на їх параметри;

- застосуванням нових (нетрадиційних для даних перетворювачів) елементів, типів коливань і т.д.

В дисертації сформульовано і вирішено такі задачі:

1. Розробити методику і підвищити точність розрахунку круглих компланарних асиметричних біморфних п’єзоперетворювачів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з'єднання.

2. Дослідити вплив:

- розмірів симетричних біморфних компланарних п’єзоперетворювачів на їхню чутливість;

- опору навантаження асиметричних біморфних компланарних п’езоперетворювачів на точність виміру артеріального тиску;

- розмірів і схеми включення триморфних компланарних перетворювачів на чутливість, частотний діапазон і точність виміру артеріального тиску.

3. Розробити і дослідити метод по давлення синфазних і вібраційних перешкод при вимірюванні артеріального тиску.

4. Розробити методи поліпшення характеристик (чутливості і діапазону відтворених частот) електроакустичних перетворювачів.

51 Дослідити методи підвищення чутливості мономорфних

резонансних п’єзоперетворювачів з ультразвуковими концентраторами.

Методи досліджень.

Для рішення поставлених задач використовувалися методи лінійної теорії електропружності, методи теорії автоматичного керування, теорії коливань, радіотехніки, математичної статистики, фізичні експерименти на макетах і дослідних зразках.

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними і залежностями.

Наукову новизну одержаних результатів складають розвиток відомих ідей і наукове обгрунтування методів розрахунку і побудови конструкцій і технічних рішень п’єзоперетворювачів із поліпшеними технічними характеристиками. У тому числі:

- методика і формула для розрахунку акустичної чутливості круглих компланарних біморфних перетворювачів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з'єднання;

- вперше отримані аналітичні й експериментальні залежності чутливості круглих компланарних асиметричних біморфних перетворювачів від їхніх розмірів, що дозволяють конструювати

з

перетворювачі з оптимальними характеристиками;

- експериментальні залежності чутливості і відношення

сигнал/перешкода від опору навантаження п’єзоелектричних

перетворювачів тонів Короткова;

- наукове обгрунтування і рекомендації по побудові

електроакустичних п’єзоперетворювачів із більш високою

чутливістю і смугою частот;

- новий метод виміру параметрів тертя і в’язкості на основі резонансного мономорфного п’єзоперетворювача з ультразвуковим концентратором крутильних коливань;

- наукове обгрунтування і рекомендації по побудові резонансних мономорфних п’єзоперетворювачів контактного типу і на акустично зв'язаних резонаторах.

Наукова та інженерно-технічна новизна результатів досліджень підтверджуються науковими публікаціями і отриманими автором патентами України і Російської Федерації.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. Методика і формула для розрахунку акустичної чутливості круглих компланарних біморфішх п’єзоелементів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з'єднання дозволяє більш точно оцінювати характеристики перетворювачів і використовується при створенні датчиків пульсу, тонів Короткова і електроакустичних перетворювачів.

2. Розроблені методи поліпшеїшя характеристик біморфних і резонансних перетворювачів можуть бути використані при проектуванні перетворювачів для приладобудування, систем керування, медичної техніки та ін.

Розроблені автором перетворювачі підготовлені до серійного виробництва в AT "Укрп’єзо" (Черкаси), НПО "Ротор", (Черкаси), НП "Темп" (Северодонецьк).

Особистий впесок здобувача полягає в аналізі наукової та технічної інформації в галузі створення п’єзоелектричних перетворювачів [9]. Автор розробила методику і отримала формулу для розрахунку акустичної чутливості компланарних асиметричних біморфішх перетворювачів [6], розробила, науково обгрунтувала та експериментально дослідила біморфні та триморфні перетворювачі пульсу тонів Короткова [2, 3, 10-12, 14, 21, 22], електроакустичні перетворювачі [5, 15-20], мономорфні резонансні перетворювачі і перетворювачі з ультразвуковими концентраторами [1,4,

7, 8, 13], брала участь у лабораторних та виробничих випробуваннях та оцінці їх характеристик.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на 15 науково-технічних міжнародних і республіканських конференціях: на конференції "Actuator-96" (Bremen, 1996); на «Научной сессии, посвященной Дню радио»,

(Москва, 1996); на конференції "Автоматика - 96" (Севастополь, 1996); на конференції "Теория и техника передачи, приема и обработки сигналов" (Харьков, 1996); на «52-ой научной сессии, посвященной Дню радио», (Москва, 1997); на конференції "Современная контрольно-испытательная техника" (СКИТ-97) (Киев, 1997); на конференції "Автоматика-97" (Черкассы, 1997); на Міжнародній конференції "ПриборЬстроение-97" (Винница, 1997); на Міжнародній конференції "Теория и техника передачи, приема и обработки сигналов" (Харьков, 1997); на Міжнародній конференції "Metrology And Metrology Assurance" (Bulgaria, 1998); на Міжнародній конференції "Датчик-98" (Москва, 1998); на Міжнародній конференції "СИЭТЗ-98" (Киев, 1998); на International Ultrasonics Simposium (Sendai, Japan, 1998); на конференції "Приборостроение-98" (Винница, 1998); на конференції "СИЭТ4-98" (Севастополь, 1998).

Публікації. Результата дисертації викладені у 22 основних наукових працях, у тому числі 10 статей у збірниках наукових праць, затверджених ВАК України:

• 6 статей у працях конференції “Автоматика-97”;

• 1 стаття у Віснику Черкаського інженерно-технологічного інституту;

• 1 стаття у Віснику Вінницького державного сільськогосподарського інституту;

• 2 статті у журналі “Вибрации в технике и технологиях” (Приборостроение-98).

Серед публікацій також 6 статей у збірниках праць міжнародних конференцій у Росії, Німеччині, Японії, Болгарії і 6 описів до патентів.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, одного додатка. Дисертація містить 84 малюнка, 3 таблиці та посилання до 116 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність напрямку досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, відбиті наукова новизна і практична цінність роботи, наведені відомості про апробацію, публікації, зведення про використання результатів досліджень.

В першому розділі подано аналіз робіт в галузі створення п’єзоелектричних перетворювачів для приладобудування і систем керування. Проаналізовано вітчизняну і закордонну інформацію щодо п’єзоелектричних перетворювачів (датчиків). Показано, що інтенсивно розвиваються як датчики на кремнієвих мікроструктурах, так і п’єзоелектричні. Серед останніх значний інтерес представляють компланарні асиметричні біморфні перетворювачі, а також резонансні. Лідерами в цій галузі є фірми "Kistler Instrumente AG" (Швейцарія), "Brüel and Kjer" (Данія), "Endevco" (США), "Morgan Matroc" (Великобританія) і ін.

Показано також, що незважаючи на значні зусилля, що прикладаються спеціалістами і фірмами, багато параметрів п’езоперетворювачів потребують удосконалювання.

У другому розділі вивчені фізичні і математичні моделі компланарних асиметричних біморфних п’єзоперетворювачів. Уміння аналітично оцінювати властивості п’езоперетворювачів із метою вибору згодом оптимальних параметрів має істотне значення при їхньому конструюванні.

Слід зазначити, що незважаючи на конструктивну простоту перетворювачів, їхні математичні моделі дуже складні. Це пов'язано не тільки з їхньою анізотропією, але і з необхідністю враховувати одночасно вплив механічних рухів і електромагнітного поля.

У даній роботі вивчені компланарні біморфні п’єзоперетворювачі найбільше поширеної круглої форми. Для цих перетворювачів установлені залежності між чутливістю перетворювача в дорезонансній області -області, у якій вони найбільше широко використовуються - і розмірами. Крім того, у цих дослідженнях врахований вплив характеристик клейового з'єднання й електродів.

До складу перетворювача входять п'ять однорідних прошарків: металева мембрана, прошарок клею, електроди, п’єзокераміка.

Задача вирішувалася в такий спосіб. Складалися рівняння руху в циліндричній системі координат, що найбільше зручна з погляду простоти рішення. Складалися також рівняння лінійної теорії пружності, що зв'язують тензори деформації з компонентами вектора переміщень (так звані співвідношення Коші).

Електромагнітне поле в матеріалі описувалося перетвореними рівняннями Максвела. Далі записувалися рівняння стану, тобто матеріальні співвідношення п’єзоефекту.

Розв’язок цих рівнянь виконано при використанні методу гіпотез і варіаційного принципу Гамільтона при відповідних електричних і механічних граничних умовах, обумовлених геометрією перетворювача, і для функції прогину має вигляд:

\у,(ї )= _Р_:гм_[?4 ).? 2^51 іпг +1-2^1 ]+

64-Ом т3 т3 т3

=.2|п?

2-ЬГїі(1-с4)тз

4 -4 -2 -4

Т) 4 —4 —А ~-4

^ )= ^ [” +^2 +— Х1-а2 )]+ (і)

64БМ ад а &4 ш3

*4 2И?уг(1-ст4)т3

- 21па ),

а

де - прогин; йм - циліндрична згинна жорсткість; т3, пн - згинні моменти; г- радіус прогину; ¿31- п’єзомодуль; р - статичний тиск; гм - зовнішній радіус; г„ - внутрішній радіус; г4,г5 -координати, що відраховуються від серединної поверхні п’єзокерамічного диска; а — постійна механічна напруга; а — поверхня біморфа; р - відношення товщин п’єзопластини; \ -товщина п’єзокерамічної пластини; кр - планарний коефіцієнт електромеханічного зв'язку; стп - діелектрична проникність при постійній механічній напрузі а.

Статична чутливість по тиску визначається відношенням вихідного сигналу ивИх до тиску:

Ефективний коефіцієнт електромеханічного зв'язку можна визначити по формулі:

Проведені розрахунки показали, що, чим менше товщина мембрани, клею, електродів і п’єзоелементів, тим вище значення максимального прогину і відповідно чутливості. Навпаки, чим більше значення діаметра металевої мембрани, тим вище значення максимального прогину, що легко бачити з наведених формул для прогинів. Водночас варто врахувати, що технологія виготовлення п’єзокерамічних плівок і стійкість матеріалів п’єзокераміки і металевої мембрани накладають обмеження на граничні значення їхніх геометричних розмірів.

З формули розрахунку акустичної чутливості легко побачити також, що для досягнення максимального значення необхідно вибрати матеріал п’єзокераміки з найбільшим значенням gзl, якнайменшим значенням товщини і якнайбільшим значенням радіуса мембрани. Проте граничні розміри металевої мембрани обмежуються міцністю її матеріалу при вигині.

Як очевидно з рисунка 1, акустична чутливість п’єзоперетворювача, у якого металева мембрана і п’єзоелемент виготовлені з латуні і п’єзокераміки ЦТС-19, своє максимальне значення приймає в області

0,8 < у < 1,6 при 0,2 < а < 0,9. Наведені залежності свідчать про існування області оптимальних відношень товщини мембрани до товщини

(2)

де в„Ці; 0 =

Д.(г5 + г4)(1-а2)(1-о-|:2)гІ -8

4/,3(1 - <74 )(1 ■-*>* + 3/?Д;(1 - о-,2) (7, +І<)2(1 -3і!) ‘

(3)

п’єзоелемента, що забезпечують максимальне значення чутливості. Розрахунки також показали, що зі збільшенням товщини клейового прошарку значення акустичної чутливості зменшується.

У третьому розділі вивчені методи керування характеристиками компланарних біморфігах п’єзоперетворювачів, використовуваних у медичній техніці та електроакустиці.

Зокрема, встановлено, що для симетричних (п’єзокераміка-п’єзокераміка) біморфних п’єзоперетворювачів чутливість може бути підвищена в 1,5-1,6 разів при зменшенні (на відміну від відомих конструкцій) діаметра одного з п’сзоелементів. Чутливість симетричних біморфних п’єзокерамічних перетворювачів може бути також підвищена в 2-3 рази при впливі на біморфний елемент статичної сили, що прикладається перпендикулярно вектору поляризації. На цьому принципі можуть бути також побудовані датчики статичних зусиль і тисків, причому, на відміну від відомих резонансних датчиків, біморфний п’єзоелемент збуджують акустичним полем на нерезонансній частоті.

Вивчено також вплив опору навантаження біморфного елемента на точність виміру артеріального тиску п’єзоелектричними перетворювачами. Як відомо, точність виміру артеріального тиску значною мірою залежить від точності визначення моменту появи першого тону Короткова на фоні сигналів пульсу. Оскільки сигнали тонів Короткова відрізняються від сигналів пульсу по спектру, навантаження перетворювачів тонів Короткова на акгавний опір, що вибирається зі співвідношення 1/830 Сп<К«1/250 Сп, де Сп - ємність п’єзоелемента, дозволяє на 10-12 дБ збільшити відношення ит/ип , де Их, ІІп - відповідно напруга сигналу тонів і пульсу (рисунок 2).

Звідї-

0,8

0,6

0,4

0,2

V

ч и-гк/и

/ ч

-Ль

итк/ип 35 .

25

15

5

8 Хп/Ивх

Рисунок 1 - Залежність акустичної чутливості п’єзоперетворювача від величини коефіцієнта уі при різних параметрах а:

1 - а=0,2; 2 - 0,4; 3 - 0,5;

4 - 0,7; 5 - 0,8; 6-0,9.

Рисунок 2 - Залежність відносної чутливості ввідн итк/ип від відношення ХпЛйвх для п’єзоелемеитів різних діаметрів

Рисунок 3 - Датчик пульсової хвилі:

І - мембрана; 2,3 - п’езоелемент; 4 - отвір в мембрані.

Рисунок 4 - Варіанти консольних біморфішх п’єзоелементів

Аналогічний результат може бути досягнутий при використанні компланарних триморфних елементів, охоплених позитивним зворотним зв'язком, при цьому вдається досягти збільшення чутливості на 15 - 20 дБ, а також підвищення точності завдяки кращому розподілу сигналів тонів і пульсу.

При вимірювати артеріального тиску виникають перешкоди, пов'язані з пульсацією статичного тиску в компресійній манжеті, а також вібраційні перешкоди, що виникають при рухах пацієнта. Такі перешкоди можуть збігатися з тонами по фазі і спектру і подавлення їх звичайними методами неефективне. У роботі запропонована і досліджена конструкція перетворювача, що дозволяє пригнітити зазначені перешкоди. Перетворювач використовує рух пульсової хвилі і являє собою два консольних елементи, виконаних у виді двох паралелограмів, розташованих під кутом а друг до друга (рисунок 3). При А/В = 0,7 і

2а — 60° досягається максимум чутливості і найкраще співвідношення сигнал/перешкода.

Задачами при конструюванні електроакустичних перетворювачів на основі асиметричних біморфних п’єзоелементів є підвищення чутливості, розширення смуги частот у бік низьких частот, а також поліпшення умов збудження перетворювача при його роботі в схемі автогенератора Підвищення чутливості електроакустичних перетворювачів досягається за рахунок оптимізації їхніх розмірів, а розширення смуги - завдяки використанню . в перетворювачах додаткових електричних і електромеханічних резонансних коливальних систем. У останньому випадку не може бути біморфний перетворювач консольного типу. Два варіанти таких перетворювачів показані на рисунку 4, а амплітудно-частотна характеристика перетворювача з консольним елементом - на рисунку 5.

я) б)

Рисунок 5 - Осцилограми амплітудно-частотної характеристики електроакустичного перетворювача: ЕП-2 (я) та і консольним елементом (б)

Поліпшення умов збудження електроакустичних перетворювачів у схемі автогенератора забезпечується вибором форми і розмірів електродів п’єзоелемента, а також схемою підключення п’єзоелемента в автогенератор. У останньому випадку поліпшення умов збудження забезпечується за рахунок збільшення коефіцієнта передачі п’єзотрансформатора приблизно в 2-2,5 рази порівняно з відомою схемою. Така схема збудження, крім того може бути використана в резонансних датчиках статичного тиску (рисунок 6).

У четвертому розділі вивчено два типи резонансних перетворювачів: контактного типу і на акустично зв'язаних резонаторах.

Показано, що для обох типів перетворювачів чутливість може бути підвищена при використанні в їхній конструкції ультразвукових концентраторів.

Як відомо, ультразвукові концентратори - це пристрої для збільшення

інтенсивності ультразвуку, тобто амплітуди коливального зміщення або коливальної швидкості.

Рисунок 6 - Схема збудження резонансного п’сзоперетворювача

Концентратори широко використовуються в ультразвуковій технології у складі різних ультразвукових інструментів при механічній обробці, пайці, дробленні, диспергіюванні, очистці та ін. Ефект збільшення чутливості резонансних п’єзокерамічних перетворювачів механічних величин при використанні концентраторів виявлений і частково вивчений

І.Г. Минаєвим і В.М. Шараповим у 1976 році. В даній роботі було вивчено вплив конструкції, матеріалу і розмірів концентраторів на чутливість перетворювачів зусиль. Деякі результати досліджень наведені у таблицях 1 і 2.

Таблиця 1 - Чутливість п’єзоперетворювача з концентратором

№ п/п Тип концентратора Коефіцієнт підсилення Чутливість, В/кГс

1 Конічний, зрізаний 3,6 2,3

2 Експоненціальний 4,7 3,2

3 Катеноідальний 4,2 2,7

4 Г аусів (ампульний) 3,4 2,3

5 Східчастий 22 5,2

Таблиця 2 - Чутливість п’єзоперетворювача зі східчастим концентратором

№ п/п Матеріал концентра- тора Модуль Юнга ЕЮ12, дин/см2 Швидкість подовжніх хвиль с-0'5, см/с Руйнуюча напруга F-10'9, дин/см2 p-c/F Ю"3) си/с Е- (pc/F) 101S, ¿)un ■ см (I-С Чут- ивість s, В/кГс

1 Титан 1,16 4,9 7,2 3,35 3,8 5,2

2 Сталь У8А 2,18 5,24 5,5 1,28 3,5 4,9

3 Сталь СтЗ 2,09 5,14 2,2 0,57 1,19 2,2

4 Бронза 0,99 3,36 3,2 1,08 1,06 2,1

5 Латунь 0,89 3,24 1,5 0,56 0,49 1,6

Із таблиць видно, що максимальна чутливість досягається при

використанні східчастого концентратора, а також матеріалів з більшим

значенням добутку pc/F на модуль Юнга Е, де р - щільність; с - швидкість звуку; F - руйнуюча напруга для матеріалу концентратора.

Подальше збільшення чутливості можна досягти, встановивши концентратори на циліндричну поверхню п’єзоелемента, а також використовуючи п’єзоелементи у формі східчастих концентраторів.

Чутливість резонансних перетворювачів залежить також від форми і розмірів елекгродів і схеми підключення їх до генератора і вимірювального пристрою. Досліджено ряд таких схем, що дозволило збільшити чутливість у порівнянні з відомою схемою збудження в 2-2,5 рази.

Підвищення чутливості може бути досягнуто також при використанні поперечно-поздовжніх п’єзотрансформаторів і концентраторів.

Для виміру моментів, що крутять, і сил тертя розроблена конструкція перетворювача, що являє собою порожнистий циліндричний п’єзокерамічний циліндр, у якому збуджуються крутильні коливання, і ультразвуковий концентратор крутильних коливань.

Перетворювачі на акустично зв’язаних резонаторах вивчались у роботах Д. Дітейнта, В.В. Малова, В.М. Шарапова. Використання в цих перетворювачах ультразвукових концентраторів дозволило підвищити їх чутливість. Один з розроблених варіантів показаний на рисунку 7.

Передаточну функцію системи випромінювач-приймач можна виразити через нормовані передаточні функції:

К(х) = Ки(х) • Кп(х) • Кср(х) = (4.12)

%J?2 *

= —• Фи(х) • Фп(х) • Фср(х) • ¿[<рц(х) + фп.(х)1,

Л‘К2

де К„(х), К„(х), Кср(х) - відповідно передаточні функції випромінюючого і приймального резонаторів і середовища; К, — коефіцієнт електромеханіч-

, . . Z2

ного зв язку матеріалів п’єзорезонаторів; К2 = —; Z0 — питомий

Zo

„ . . . Р?

акустичнии опір матеріалу випромінюючого резонатора; Z, = — - ; Р2, и 2 -

и2

коливні тиски і швидкість на поверхні випромінюючого п’єзоелемента.

Рисунок 7 - Перетворювач на акустично зв’язаних резонаторах: 1 - випромінюючий резонатор; 2 - концентратор;

З - приймальний резонатор; 4 — корпус.

Необхідна точність виміру такими перетворювачами забезпечується при використанні відомих вимірювальних схем високостабільних генераторів, а також просторового електромеханічного негативного зворотного зв'язку.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі, на основі виконаних автором досліджень, вирішена науково-технічна задача, що полягає в удосконаленні теоретичної і технічної бази п’єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу.

2. Розроблено методику розрахунку круглих компланарних біморфних п’єзоелементів з урахуванням характеристик металевих електродів і клейового з'єднання.

3. Розроблений і підготовлений до серійного виробництва комплекс високоефективних і конкурентноспроможних п’єзоперетворювачів, що не поступаються по показниках аналогічним закордонним зразкам.

Крім того:

1. Встановлено, що:

- максимальні значення прогинів досягаються в центрі перетворювача, причому ці значення при урахуванні клейового прошарку й електродів виявляються меншими, ніж без їхнього урахування;

- чим менше товщина мембрани, прошарку клею, електродів і п’єзоелемента, тим вище значення максимального прогину;

- чим більше значення діаметра металевої мембрани, тим вище значення максимального прогину;

- для досягнення максимального значення акустичної чутливості

, необхідно вибирати для п’єзоелемента п’єзокераміку з

максимальним значенням {*зі, якнайменшим значенням товщини п’єзоелемента і якнайбільшим значенням радіуса мембрани;

- акустична чутливість п’єзоперетворювача, у якого металева мембрана виготовлена з латуні, а п’єзоелемент із п’єзокераміки ЦГС-19, своє максимальне значення приймає в області

0,8<у<1,6 і 0,2<а<0,9, де у - відношення товщини мембрани до товщини п’єзоелемента; а - відношення радіуса п’єзоелемента до радіуса мембрани.

2. Чутливість симетричного п’єзоелемента може бути підвищена в порівнянні з відомою конструкцією при зменшенні діаметра одного з п’єзоелементів.

3. Точність виміру артеріального тиску вимірювачем із п’єзоелектричним датчиком підвищується при навантаженні біморфного п’єзоелемента на активний опір, що вибирається зі співвідношення 1/830 Сп<Квх<1/250 Сп, де Сп - ємність п’єзоелемента.

4. Синфазні і вібраційні перешкоди, що виникають при вимірюванні артеріального тиску, можуть бути зменшені при використанні п’єзоелектричного датчика пульсової хвилі, що містить два консольних компланарних елементи у вигляді паралелограма, причому максимальне співвідношення сигнал/перешкода досягається при відношенні розмірів паралелограма А/В = 0,7 і куті між біморфними елементами 60°.

5. Смуга частот електроакустичного перетворювача може бути розширена при приєднанні до нього додаткових електричних або електромеханічних коливальних систем, наприклад, консольних біморфних елементів, а також при сполученні в перетворювачі п’єзоелектричних і магнітних явищ.

6. Для підвищення чутливості резонансних п’єзоперетворювачів варто

застосовувати ультразвукові концентратори з матеріалу з більшим значенням добутку (рсЯО-Е. -

7. Для підвищення чутливості резонансних п’єзоперетворювачів із циліндричним п’єзоелементом і електродами на торцях циліндра, електроди на обох торцях варто виконувати у вигляді кілець і дисків, причому сигнальний провід генератора підключають до дискового електрода більшої площі, а сигнальний провід вимірювального пристрою -до дискового електрода меншої площі, загальні проводи генератора і вимірювального пристрою підключають до кільцевого електрода меншої площі.

8. Для підвищення чутливості резонансних п’єзоперетворювачів варто застосовувати п’єзотрансформатори поперечно-поздовжнього типу (конструкція Розена), а також п’єзотрансформатори, що сполучають конструкцію Розена з конструкцією східчастого концентратора.

9. Для виміру обертових моментів, сил тертя, в’язкості варто використовувати циліндричні п’єзоелементи й ультразвукові концентратори крутильних коливань.

10. Для підвищення чутливості перетворювачів на акустично зв'язаних резонаторах у якості випромінювача варто застосовувати п’єзоелементи з ультразвуковими концентраторами, а в якості приймача - біморфні п’єзоелементи, а також відповідно циліндричні і порожнисті сферичні п’єзоелементи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ Особисті праці:

1. Чудаева И.Б., Датчик давления на акустически связанных резонаторах.// Труды 4-й Укр.конф. "Автоматика-97".-Том 1,-Черкассы.-1997.-с.40-42.

2. Чудаева И.Б. Устройство для контроля биморфных пьезоэлементов. // Труды 4-й Межд. науч.-тех. конф. "Контроль и управление в технических системах". - Винница. - 1997. - с.26-27.

3. Чудаева И.Б. Оптимизация сопротивления нагрузки пьезодатчиков тонов Короткова. // Вибрации в технике и технологиях. (Сб. трудов межд. конф. "Приборостроение-98"). - Винница. - 1998.-№2.-с.320-322.

4. Чудаева И.Б. Прецизионный пьезокерамический акселерометр с малой боковой чувствительностью. // Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97".-Том 4. - Черкассы. - 1997. - с.56-57.

5. Патент №25534. Украина Пьезоэлектрический преобразователь./ Чудаева И.Б.-1998.

Праці з співавторами:

6. Аллавердиев А.М., Чудаева И.Б., Шарапов В.М. и др. Расчет ассиметричных биморфных пьезоэлементов. «Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту». - Черкаси. - 1999. - №3. - с.3-7.

7. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Чудаева И.Б. и др. Пьезоэлектрический преобразователь давления на акустически связанных резонаторах. // «Вестник Винницкого государственного сельскохозяйственного института». (Сб. трудов межд. симп. «Наука и предпринимательство).-Винница.-1999.-с. 118-121.

8. Чудаева И.Б., Быкова Е.В., Шарапов В.М. Применение метода Бокса-Уилсона для оптимизации многокомпонентных составов.//Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97". - Том 3. - Черкассы. - 1997. - с.85-86.

9. Шарапов В.М., Чудаева И.Б., Быкова Е.В. Тенденции развития датчиков механических величин. // Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97". - Том 4. - Черкассы. — 1997. - с.119.

10. Чудаева И.Б., Быкова Е.В., Шарапов В.М., Сарвар И. Компланарные триморфные пьезоэлементы в датчиках электронных тонометров. // Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97".-Том 1.-Черкассы.-1997.с.43-45.

11. Быкова Е.В., Чудаева И.Б., Шарапов В.М. и др. Компланарные триморфные пьезоэлементы с обратной связью. // Труды 4-й Укр. конф. "Автоматика-97". - Том 1. - Черкассы. - 1997. - с.73-75.

12. Чудаева И.Б., Шарапов В.М. Управление чувствительностью пьезодатчиков тонов Короткова. // Вибрации в технике и технологиях. (Сб. трудов межд. конф. "Приборостроение-98"). - Винница. - 1998.-№2.-с.334-336.

13. Чудаева И.Б. и др. Пьезоэлектрический датчик на акустически связанных резонаторах. // Труды межд. конф. "Датчик- 98". Том 2. -Москва. - 1998. с.553-554.

14. Чудаева И.Б. и др. Принципы построения пьезодатчиков для измерителей артериального давления. // Труды межд. конф. "Датчик-98". Том 1. - Москва. - 1998. с.233-235.

15. Патент №2003238. (Россия). Электроакустический преобразователь. //Шарапов В.М., Чудаева И.Б. и др., 1993, №41-42.

16. Патент №19900. Украина. Электроакустический преобразователь. / Чудаева И.Б., Шарапов В.М. и др., - 1998.

17. Патент №25582. Украина. Электроакустический преобразователь. /

Чудаева И.Б., Шарапов В.М. и др., - 1998.

18. Патент №25533. Украина. Электроакустический преобразователь. / Чудаева И.Б., Шарапов В.М. и др., - 1998.

19. Патент №25704. Украина. Электроакустический

преобразователь./Чудаева И.Б. и др. 1998.

20. Sharapov V.M., Chudaeva I.B., Podlipenets A.N. On application of ultrasonic concentrators in piezoelectric transducers./TProceedings of Conf. "Actuator-96", Bremen, 1996.

21. Чудаева И.Б. и др. Повышение точности измерения артериального давления. 8-th National Scientific Symposium with international participation "Metrology And Metrolodgy Assurance" (Bulgaria, 1998).

22. Chudaeva & others The Electromechanical Feed-Back in Piezoceramic Sensors and Traducers. 1998 IEEE International Ultrasonics Simposium, Sendai, Japan.

Чудаева И.Б. Розробка п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин поліморфного типу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05. - Елемента та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1999.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів і засобів поліпшення характеристик п’єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу і на цій основі створення конкурентоспроможних зразків цього виду продукції.

У дисертації розроблена методика розрахунку акустичної чутливості круглих компланарних біморфних п’єзоперетворювачів з урахуванням металевих електродів і клейового з'єднання. Досліджено дві моделі асиметричних біморфних перетворювачів. У результаті дослідження багатошарової моделі біморфного п’єзоперетворювача отримані ірафічні й аналітичні залежності чутливості від розмірів перетворювача і характеристик використовуваних матеріалів, що дозволяє сконструювати перетворювачі з оптимальними властивостями.

У роботі вивчені методи керування характеристиками компланарних біморфних перетворювачів, які використовуються у медичній техніці і електроакустиці. Встановлено, що для симетричних біморфних п’єзоперетворювачів чутливість може бути підвищена при зменшенні розмірів одного з п’єзоелементів, а також при впливі на біморфний елемент статичної сили.

У роботі запропонована та досліджена конструкція п’єзоелектричного датчика тонів Короткова, що дозволяє зменшити синфазні і вібраційні завади, що виникають при вимірюванні артеріального тиску.

Задачами при конструюванні електроакустичних перетворювачів є

підвищення чутливості, розширення смуги частот у бік низьких частот. Поліпшення умов збудження перетворювача в схемі автогенератора забезпечується вибором форми і розмірів електродів п’єзоелемента, а також схемою підключення п’єзоелемента в автогенератор.

У роботі вивчено два типи резонансних перетворювачів: контактного типу і на акустично зв'язаних резонаторах. Для підвшцеїшя чутливості цих перетворювачів у якості випромінювача варто застосовувати п’єзоелементи з ультразвуковими концентраторами, а в якості приймального пристрою - біморфний п’єзоелемент, а також відповідно циліндричні і полі сферичні п’єзоелементи.

Ключові слова: біморфний компланарний п’єзоелектричний

перетворювач, ультразвуковий концентратор, чутливість.

Chudaeva І.В. The work out of piezoelectric transducers of mechanical magnitude of polymorph type.-Manuscript.

Dissertation for obtaining the scientific degree of Candidate of Engineering Sciences on speciality o5. 13.05 - Elements and Devices of Computer Sciences and Control Systems: Odessa State Polytechnic University, Odessa, 1999.

The thesis devoted on the worked out of methods and means for improvement of characteristics of piezoelectric transducers of physical magnitude of polymorph type and on this basis created some competition ability models of the type of this product.

Keywords: bimorph complanar piezoelectric transducer, ultrasonic concentrator and sensibility.

Чудаева И.Б. Разработка пьезоэлектрических преобразователей механических величин полиморфного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05,- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1999.

Диссертационная работа посвящена разработке методов и средств улучшения характеристик пьезоэлектрических преобразователей полиморфного типа и на этой основе создания конкурентоспособных образцов этого вида продукции.

В диссертации разработана методика расчета акустической чувствительности круглых компланарных биморфных

пьезопреобразователей с учетом металлических электродов и клеевого соединения. Исследованы две модели асимметричных биморфных преобразователей. В результате исследования многослойной модели биморфного пьезопреобразователя получены графические и аналитические зависимости чувствительности от размеров преобразователя и характеристик используемых материалов, что позволяет конструировать

преобразователи с оптималышми свойствами.

В работе изучены методы управления характеристиками компланарных биморфных и триморфных преобразователей, используемых в медицинской технике и электроакустике. Установлено, что для симметричных биморфных пьезопреобразователей чувствительность может быть повышена при уменьшении одного из пьезоэлементов, а также при воздействии на биморфный элемент статической силы.

В работе предложена, научно обоснована и исследована конструкция пьезоэлектрического датчика, которая позволяет подавить синфазные и вибрационные помехи, возникающие при измерении артериального давления.

Задачами при конструировании электроакустических преобразователей являются повышение чувствительности, расширение полосы частот в сторону низких частот. Улучшение условий возбуждения преобразователя в схеме автогенератора обеспечивается выбором формы и размеров электродов пьезоэлемента, а также схемой подключения пьезоэлемента в автогенератор.

В работе изучено также два типа резонансных преобразователей: контактного типа и на акустически связанных резонаторах. Для повышения чувствительности этих преобразователей в качестве излучателя следует применять пьезоэлементы с ультразвуковыми концентраторами, а в качестве приемного устройства - биморфный пьезоэлемент, а также соответственно цилиндрические и полые сферические пьезоэлементы.

Ключевые слова: биморфный компланарный пьезоэлектрический преобразователь, ультразвуковой концентратор, чувствительность.