Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05.– Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.
Дисертація присвячена розробці методів лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин і створенню на цій основі пристроїв систем керування з високими якісними та експлуатаційними показниками. У дисертаційній роботі розроблений новий метод зворотного зв’язку – електричний негативний зворотний зв’язок (НЗЗ), який дозволяє лінеаризувати амплітудно–частотну характеристику перетворювача. Досліджена схема, в якій п’єзоелемент–сенсор включений у ланцюг негативного зв’язку підсилювача. Визначені режим роботи для лінеаризації АЧХ перетворювача та режим роботи, при якому чутливість перетворювача дорівнює чутливості п’єзоелемента без підсилювача. Запропоновано конструктивні методи лінеаризації АЧХ симетричних і асиметричних біморфних перетворювачів. Вперше для лінеаризації АЧХ застосоване електричне демпфірування одночасно із застосуванням зворотного зв’язку, а також за рахунок збільшення внутрішнього тертя п’єзоелемента.
Основні результати дисертаційної роботи такі:
1. Проведені дослідження, спрямовані на удосконалення п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин, які використовуються у системах автоматичного керування, обчислювальній техніці, приладобудуванні, а також у вимірювальній техніці, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні та достовірні методи досліджень. Розроблені методи і пристрої використовуються в промисловості й у навчальному процесі.
2. Розроблені методи, схемні та конструктивні рішення розширили науково–технічну базу для проектування п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин з поліпшеними характеристиками.
3. В результаті дослідження структурних схем і передатних характеристик, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів встановлено, що лінеаризації амплітудно–частотних характеристик (АЧХ) п’єзоелектричних перетворювачів можна досягти при введенні в ланцюг електричного зворотного зв’язку п’єзоелектричного перетворювача елемента, коефіцієнт передачі якого дорівнює коефіцієнту передачі п’єзоелемента–сенсора.
В результаті дослідження структурних схем і передатних характеристик, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів з п’єзоелементом в ланцюгу зворотного зв’язку підсилювача встановлено, що:
лінеаризації амплітудно частотної характеристики такого перетворювача можна досягти за умови, якщо ;
у випадку, коли чутливість перетворювача дорівнює чутливості п’єзоелемента без підсилювача.
У результаті аналізу схем п’єзоелектричних перетворювачів за допомогою комп’ютерного моделювання було встановлено, що:
для збільшення смуги пропускання в області низьких частот необхідно збільшувати значення опорів і ємностей п’єзоелемента, а також вхідних і вихідних опорів підсилювача;
п’єзоелектричні перетворювачі з негативним зворотним зв’язком є стійкими системами.
В результаті дослідження математичних моделей і експериментальних досліджень симетричних біморфних перетворювачів встановлено, що лінеаризації АЧХ цих перетворювачів можна досягти:
при використанні п’єзоелементів різної товщини та їхньому зустрічному включенні;
при використанні п’єзоелементів однакової товщини, включених зустрічно і виготовлених з п’єзокерамік з різними п’єзомодулями.
7. В результаті експериментальних досліджень асиметричних біморфних перетворювачів встановлено, що лінеаризації амплітудно–частотних характеристик цих перетворювачів можна досягти:
при розділі одного з електродів п’єзоелемента на дві частини у вигляді диска і кільця та підключенні їх до входу диференціюючого підсилювача;
при розділі одного з електродів п’єзоелемента на дві частини у вигляді двох напівдисків та підключенні їх до входу подільника напруги.
8. Розроблено метод електричного демпфірування перетворювачів, в результаті якого лінеаризації амплітудно–частотних характеристик п’єзоперетворювача можна досягти:
при зменшенні його добротності шляхом включення послідовно з ним активного опору;
при зменшенні його добротності шляхом збільшення активного внутрішнього опору (внутрішнього тертя) п’єзоелемента, що досягається розташуванням електродів на п’єзоелементі таким чином, щоб вектор напруженості електричного поля вихідної напруги створював з вектором поляризації кут ;
при одночасному зменшенні добротності та включенні перетворювача в ланцюг негативного зворотного зв’язку.
Публікації автора:
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Линеаризация амплитудно–частотной характеристики пьезоэлектрических преобразователей с мономорфным или биморфным чувствительным элементом // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № 1. – С. 41–45.
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Расширение рабочего диапазона частот пьезокерамических преобразователей с обратной связью // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № 2 – С. 80–83.
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю. Симметричный биморфный пьезокерамический преобразователь с линейной амплитудно–частотной характеристикой // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № 3. – C. 43–46.
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю. Методы линеаризации АЧХ пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. – № 4. – C. 69–73.
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. Об одном методе линеаризации АЧХ биморфных пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – № 1. – C. 14–18.
Пат. № 54298 А Україна МПК H04R17/00, B06B1/06 Електроакустичний перетворювач / Шарапов В.М., Ротте С.В., Балковська Ю.Ю. – № 2002075846; Заявл. 15.07.2002; Опубл. 17.02.2003. Бюл. №2. – 9 с.
Балковская Ю.Ю. Об одном методе расширения рабочего частотного диапазона пьезокерамических преобразователей // Сборник трудов Межд. НТК «Приборостроение–2002», Винница–Алупка. – 2002. – С. 228–229.
Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Мусиенко М.П. О линеаризации амплитудно–частотной характеристики пьезоэлектрических преобразователей // Сборник трудов Межд. НТК «Приборостроение–2002». – Винница–Алупка. – 2002. – С. 223–224.
Мусиенко М.П., Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Доменно–угловой диссипативный пьезокерамический преобразователь // Праці ІІ–ї НТК “Приладобудування 2003: підсумки і перспективи”. – Київ. – 2003. – С. 92–93.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи для авиационных информационно–измерительных систем // Інформаційно-діагностичні системи: Мат. V Міжн. НТК «АВІА-2003». – Т.1. -К.: НАУ, 2003. – С. 11.13-11.17.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Роттэ С.В., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи физических величин // Сборник науч. трудов по матер. 1–го Международ. радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ – 2002).– Ч.2. – Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. – 2002. – С. 482–485.
Шарапов В.М., Лега Ю.Г., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Ротте С.В. Полиморфные пьезокерамические преобразователи с пространственной электромеханической обратной связью // Матеріали VІ Міжн. конф. „Контроль і Керування в складних системах (КУСС–2001)”.–Вінниця: УНІВЕРСУМ.–2001.–С.117.
