Анотація до роботи:

Трембовецька Р.В. Створення перетворювачів механічних величин з п’єзоелементами в схемах електричних фільтрів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05. – Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2005.

Дисертаційна робота “Створення перетворювачів механічних величин з п’єзоелементами в схемах електричних фільтрів” присвячена питанням подальшого удосконалення елементів і пристроїв для систем управління, обчислювальної техніки і приладобудування, а саме, п’єзоелектричним перетворювачам механічних величин. В даній роботі побудовані і досліджені математичні моделі перетворювачів механічних величин з п’єзоелементами в модифікованих схемах пасивних електричних фільтрів. Досліджено вплив параметрів елементів схеми на частоту зрізу і форму АЧХ перетворювача. Вперше розроблені перетворювачі механічних величин з п’єзоелементами в модифікованих схемах активних ФНЧ і ФВЧ з однопетльовим та багатопетльовим зворотнім зв’язком (ЗЗ), що дозволило розширити робочу смугу частот і зменшити нелінійність АЧХ. Побудовані і досліджені математичні моделі цих перетворювачів. Визначено умови зменшення нелінійності АЧХ перетворювачів. Розроблені перетворювачі механічних величин з доменно-дисипативними п’єзоелементами, що дозволили зменшити нелінійність АЧХ. Досліджено АЧХ перетворювача при зміні кута між вектором поляризації і вектором напруженості електричного поля вихідної напруги.

Основні результати дисертаційної роботи такі:

1. Проведені дослідження, спрямовані на удосконалення п’єзоелектричних перетворювачів механічних величин, котрі використовуються в системах автоматичного керування, обчислювальній техніці, приладобудуванні, а також в вимірювальній техніці, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувались коректні і достовірні методи дослідження. Отримані результати використовуються в промисловості, а саме на НВК “Фотоприлад” і ВАТ “Укрп’єзо”, а також в навчальному процесі в курсі дисципліни “Перетворюючі пристрої приладів” в Черкаському державному технологічному університеті.

2. Розроблені методи побудови і математичні моделі перетворювачів механічних величин на основі модифікованих схем електричних фільтрів розширили науково-технічну базу проектування п’єзоелектричних перетворювачів.

3. В результаті дослідження математичних моделей, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів механічних величин з п’єзоелементами на основі модифікованих схем пасивних режекторних фільтрів, фільтрів нижніх і верхніх частот встановлено, що :

АЧХ отриманих перетворювачів відповідає АЧХ фільтра на основі якого виконаний перетворювач;

у п’єзоелектричних перетворювачів на основі модифікованих схем фільтрів нижніх частот нелінійність АЧХ зменшилась в 8-10 раз (рис. 1 а) та в 6-8 раз (рис. 1 б), а робочий діапазон збільшився в 10-15 раз у порівнянні з традиційним п’єзоелектричним перетворювачем на основі біморфного п’єзоелектричного елемента;

АЧХ розроблених п’єзоелектричних перетворювачів на основі модифікованих схем ФНЧ залежить від параметрів схеми включення (опору R (рис. 1 а); опорів R1, R2 (рис. 1 б); та міжелектродних ємностей п’єзоелементів). При зменшенні величини опорів схеми в n раз зменшується нелінійність АЧХ перетворювача в (0,9 – 1)n раз (рис. 2 а), та в (0,75 – 0,9)n раз (рис. 1 б), а робоча смуга частот збільшується в n раз;

при двох каскадній побудові перетворювача на основі Т – подібної схеми збільшується нелінійність АЧХ в 2 рази;

у перетворювачів механічних величин на основі модифікованих фільтрів верхніх частот частота зрізу і нелінійність АЧХ залежать від опорів R2, R4 (рис. 3 а) і опору R3 (рис. 3 б). При збільшенні опорів схеми нелінійність АЧХ зменшується приблизно в 1,2-2,75 раз (рис. 3 а) та в 1,2-3 рази (рис. 3 б, 4 а), а нижня робоча частота перетворювача зменшується. При цьому похибка форми перетворювачів зменшується в 1,3-2 рази;

для перетворювача механічних величин з п’єзоелементами на основі модифікованої Т – подібної схеми фільтра верхніх частот нелінійність АЧХ зменшується на порядок при збільшенні міжелектродної ємності ZQ1 (рис. 3 б, рис. 5) в 2 рази;

АЧХ перетворювача з триморфним п’єзоелементом на основі модифікованої схеми режекторного фільтра (рис. 6) відповідає амплітудно-частотній характеристиці режекторного фільтру, що обмежує область використання таких перетворювачів.

4. В результаті дослідження математичних моделей, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів механічних величин з п’єзоелементами на основі модифікованих схем активних фільтрів нижніх і верхніх частот встановлено:

для перетворювачів на основі модифікованих схем активних фільтрів з однопетльовим зворотним зв’язком робоча смуга частот залежить від опорів ланцюга зворотного зв’язку, а нелінійність АЧХ залежить від співвідношення опорів у вхідному ланцюзі і ланцюзі зворотного зв’язку;

для перетворювачів на основі модифікованих схем активних фільтрів нижніх частот з однопетльовим зворотним зв’язком нелінійність АЧХ зменшується в 1,5-2 рази при виконанні умови ;

для перетворювачів на основі модифікованих схем активних фільтрів верхніх частот з однопетльовим зворотним зв’язком нелінійність АЧХ зменшується в 6,5-7 раз при виконанні умови . Похибка форми зменшується в 1,2-1,4 рази;

для перетворювача на основі модифікованої схеми активного фільтра нижніх частот з багатопетльовим зворотним зв’язком робочий частотний діапазон і нелінійність АЧХ залежить від опорів і співвідношення міжелектродних ємностей п’єзоелементів у вхідному ланцюзі і ланцюзі зворотного зв’язку. При зменшенні величини опору R4 в ланцюзі зворотного зв’язку та опору R3 у вхідному ланцюзі (рис.10) робочий частотний діапазон перетворювача збільшується, при цьому нелінійність АЧХ зменшується. Похибка форми для перетворювача з будь-якою частотою зрізу зменшується, якщо ;

для перетворювача на основі модифікованої схеми фільтра верхніх частот з багатопетльовим зворотним зв’язком робочий частотний діапазон і нелінійність АЧХ залежать від опору R2 і співвідношення міжелектродних ємностей С_ПЕ3 у вхідному ланцюзі і С_ПЕ2 в ланцюзі зворотного зв’язку. При збільшенні опору R2 в n раз частота зрізу перетворювача зменшується в n раз. При збільшенні міжелектродної ємності С_ПЕ3 в n раз похибка форми зменшується в (0,45-0,7)n раз, а нелінійність АЧХ зменшується в (1,2-2)n раз. При цьому міжелектродні ємності С_ПЕ1 = С_ПЕ2, і .

5. В результаті дослідження математичних моделей, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів механічних величин з доменно-дисипативними п’єзоелементами в схемах модифікованих електричних фільтрів нижніх і верхніх частот встановлено, що:

нелінійність АЧХ і похибка форми перетворювачів залежить від кута між вектором поляризації і вектором напруженості електричного поля вихідної напруги;

для перетворювачів на основі модифікованих схем фільтрів нижніх частот при збільшенні кута між вектором поляризації і вектором напруженості електричного поля вихідної напруги від 0 до 40 резонансний пік перетворювача зменшується в 6-14 раз і АЧХ перетворювача стає практично лінійною. При цьому похибка форми перетворювачів залишається незмінною або незначно зменшується у порівнянні з використанням традиційних п’єзоелементів;

для перетворювачів на основі модифікованих схем фільтрів верхніх частот при збільшенні кута між вектором поляризації і вектором напруженості електричного поля вихідної напруги від 0 до 40 резонансний пік перетворювача зменшується в 5-15 раз. При цьому похибка форми зменшується в 1,2-3 рази.

Публікації автора:

1. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ С.В., Бондаренко Ю.Ю., Матухно А.В., Трембовецкая Р.В. Пьезоэлектрические преобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя напряжения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. - №2. - С132-136.

2. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Асимметричные биморфные пьезоэлементы в схемах режекторных фильтров // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. - №3. - С.180-111.

3. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В., Мусиенко М.П. Преобразователь механических величин на основе биморфных пьезоэлементов в схеме режекторного фильтра // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. - №4. - С.94-96.

4. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В. Пьезоэлектрический преобразователь механических величин с пьезоэлементом в схеме фильтра нижних частот // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №1. - С.86-89.

5. Шарапов В.М., Трембовецька Р.В. П’єзоелектричні перетворювачі механічних величин з п’єзоелементами в схемах електричних фільтрів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. - № 4. - С.100-103.

6. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В. Пьезоэлектрический преобразователь механических величин с пьезоэлементом в схеме фильтра верхних частот // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №2. - С.32-35.

7. Sharapov V.M., Nikolaenko V.M., Trembovetskaya R.V. The transducers of mechanical quantities on the basis of active electric filters // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №3. - С.63-65.

8. Sharapov V.M., Shavaleva V.I., Trembovetskaya R.V., Raevskiy N.V. Application of domenno-disipativnih pezokeramicheskih transformers in the charts of the еlectric filters // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №3. - С.69-71.

9. Sharapov V.M., Trembovetskaya R.V., Raevskiy N.V. Тhe piezoceramic intermediate frequency filter constructed on the resonators with bisected electrodes // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. - №3. - С.66-68.

10. Sharapov V.M., Trembovetskaya R.V., Raevskiy N.V. The tranducers of mechfnical quantities with the pezoelements in charts of filters // International symposium on theoretical electrical engineering ISTET”05 – Lviv, 2005. – P. 376-379.

11. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Пьезопреобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя заряда с каналом обратной связи // Тр. Междунар. Конф. «Современные информационные и электронные технологии» (СИЭТ 2005). – Одесса: - С.276.

12. Шарапов В.М., Трембовецкая Р.В. Преобразователи механических величин с пьезокерамическими элементами в схемах электрических фильтров

// Збірник тез доповідей четвертої НТК «Приладобудування: стан і перспективи» – Київ: ПБФ, НТУУ «КПІ». – 2005. - С.123.

13. Пат. № 6157 Україна, МПК G01L1/16, G01P15/09. П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Трембовецька Р.В. - №20041008301; Заявл.13.10.2004; Опубл. 15.04.2005, Бюл. № 4.

14. Пат. № 6156 Україна, МПК G01L1/16, G01P15/09. П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Трембовецька Р.В. - №20041008284; Заявл.13.10.2004; Опубл. 15.04.2005, Бюл. № 4.

15. Пат. № 8498 Україна, МПК Н03Н7/06. Режекторний фільтр / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Мусієнко М.П. - №20041210455; Заявл.20.12.2004; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

16. Пат. № 8499 Україна, МПК Н03Н7/06. Режекторний фільтр / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Мусієнко М.П. - №20041210456; Заявл.20.12.2004; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

17. Пат. № 8609 Україна, МПК G01L1/16, G01P15/09. П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В. - № 200500336; Заявл.14.01.2005; Опубл. 15.08.2005. Бюл, № 8.

18. Пат. № 8606 Україна, МПК G01L1/16, G01P15/09. П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Трембовецька Р.В. - № 200500331; Заявл.14.01.2005; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

19. Пат. № 8497 Україна, МПК Н03Н7/06. Фільтр верхніх частот / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Мусієнко М.П. - № 20041210454; Заявл.20.12.2004; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

20. Пат. № 8826 Україна, МПК Н03Н7/00. Фільтр верхніх частот / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Раєвський М.В. - № 200502138; Заявл.09.03.2005; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

21. Пат. № 8604 Україна, МПК G01L1/16, G01P15/09. П’єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Мусієнко М.П., - № 200500329; Заявл.14.01.2005; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

22. Пат. № 8503 Україна, МПК Н03Н7/06. Фільтр нижніх частот / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Раєвський М.В. - № 20041210462; Заявл.20.12.2004; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

23. Пат. № 8513 Україна, МПК Н03Н7/06. Фільтр нижніх частот / Шарапов В.М., Трембовецька Р.В., Раєвський М.В. - № 20041210516; Заявл.20.12.2004; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

24. Пат. № 8613 Україна, МПК G01L1/16, G01P15/09. П’єзоелектричний перетворювач механічних величин /Шарапов В.М., Трембовецька Р.В. – № 200500359; Заявл.14.01.2005; Опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.