Мусієнко Максим Павлович. Теоретичні основи, методи та засоби структурно-енергосилового перетворення на основі поліелектродних п'єзокерамічних елементів для систем керування : Дис... д-ра наук: 05.13.05 - 2006.
Анотація до роботи:
Мусієнко М.П. Теоретичні основи, методи та засоби структурно-енергосилового перетворенняна основі поліелектродних п’єзокерамічних елементів для систем керування. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.
Дисертаційна робота присвячена розробці теоретичних основ, методів та засобів структурно-енергосилового перетворення (СЕСП) на основі поліелектродних п’єзокерамічних елементів для систем керування.
На основі аналізу властивостей п’єзоелементів з урахуванням впливу анізотропії та орієнтаційних ефектів доменів в п’єзокераміці було розроблено метод СЕСП на основі поліелектродних п’єзоелементів, що враховує взаємне розташування векторів поляризації, сили та напруженості поля між вихідними електродами. Розроблено теоретичні основи застосування СЕСП в поліелектродних п’єзокерамічних елементах у формі стрижнів, пластин та кілець. Розроблено методи та засоби СЕСП у п’єзоперетворювачах з підсилювачами заряду, з комбінованим, одноконтурним та двоконтурними просторовими електромеханічними негативними зворотними зв'язками з підсиленням напруги та/або заряду. Застосування розроблених методів розширило науково-технічну базу проектування п'єзокерамічних перетворювачів, що дало змогу створювати зразки п'єзотехніки з характеристиками, які перевищують кращі зразки зарубіжних фірм-виробників в цій галузі.
В дисертаційній роботі на основі виконаних автором досліджень вирішено науково-технічну проблему, яка пов'язана зі створенням нових методів забезпечення заданих характеристик п’єзокерамічних перетворювачів, що дозволяє отримати нові властивості, суттєво розширити робочий діапазон частот, а також збільшити точність, температурну та часову стабільності параметрів, що дає змогу підвищити ефективність систем керування.
Виконані автором дослідження, направлені на розробку методів та засобів створення п’єзокерамічних перетворювачів, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі проблема може вважатися вирішеною. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи дослідження.
При цьому експериментальні дослідження підтвердили коректність постановки задач і математичних методів, використаних при доведенні основних наукових положень.
В роботі отримано наступні основні наукові та практичні результати.
Проаналізовано особливості систем керування з п’єзокерамічними перетворювачами на базі регулювання тиску, частоти обертання робочих валів, рівня рідини, що дало змогу визначити вимоги і напрями покращення параметрів первинних п’єзокерамічних перетворювачів.
На основі врахування впливу анізотропії і орієнтаційних ефектів доменів в п’єзокераміці вперше розроблено метод структурно-енергосилового перетворення на основі поліелектродних п’єзоелементів, що враховує взаємне розташування векторів поляризації, сили і напруженості поля між вихідними електродами.
Вперше розроблено теоретичні основи застосування структурно-енергосилового перетворення (СЕСП) в поліелектродних п’єзокерамічних елементах у формі стрижнів, пластин і кілець, розглянуті і проаналізовані математичні, функціональні і схемотехнічні моделі таких перетворювачів, досліджені частотні і тимчасові характеристики, а також відгуки на спеціальні впливи.
Вперше розроблено методи і засоби СЕСП в п’єзоперетворювачах з підсиленням заряду, у тому числі при розміщенні п’єзоелементів у зворотних зв'язках підсилювачів заряду, з комбінованим зворотним зв'язком, з одноконтурним і з двоконтурним просторовими електромеханічними негативними зворотними зв'язками з підсиленнями напруги та/або заряду.
Розроблені методи СЕСП в п’єзоелементах дозволяють створювати п’єзоперетворювачі з властивостями не тільки коливальних, але й аперіодичних, диференційних, інтегруючих, диференційних інерційних, ідеальних підсилювальних (безінерційних) ланок, а також розширювати в декілька разів робочий діапазон частот п’єзоперетворювачів; підвищувати чутливість, зменшувати синфазні і вібраційні завади в датчиках тонів Короткова, усувати паразитні резонансні коливання п’єзоелементів в приладах електротерапії.
Розроблені методи СЕСП з двоконтурними просторовими електромеханічними зворотними зв’язками дають змогу створювати зразки перетворювачів зі збільшеною в 1,5-2 рази точністю вимірювання порівняно з перетворювачами з одноконтурними зворотними зв’язками.
Розроблені методи СЕСП з комбінованим зворотним зв'язком дають змогу збільшити в декілька разів температурну і часову стабільності параметрів порівняно з перетворювачами без зворотного зв’язку, а також збільшити чутливість до 30% порівняно з перетворювачами з двоконтурними зворотними зв’язками.
Отримано аналітичні вирази для розрахунку коефіцієнтів підсилення узгоджуючих підсилювачів напруги та заряду, які забезпечують досягнення мінімуму похибки вимірювання п’єзоперетворювачів з урахуванням СЕСП в п’єзоелементах з комбінованим, а також одно- та двоконтурними просторовими електромеханічними негативними зворотними зв’язками.
Вперше розроблено функціональні і схемотехнічні моделі реалізації методів СЕСП в п’єзоперетворювачах з підсиленнями заряду, у тому числі при розміщенні п’єзоелементів в зворотних зв’язках підсилювачів заряду, а також зі всіма типами зворотних зв'язків.
Вперше розроблено методи та засоби застосування СЕСП в керамічних елементах, що мають одночасно магнітні та п'єзоелектричні властивості, що дають змогу збільшити чутливість електроакустичних перетворювачів, розширити функціональні можливості газоаналізаторів, а також підвищити технічні та експлуатаційні характеристики п’єзомагнітних датчиків тахометрів.
Отримано аналітичні вирази для розрахунку оптимальних значень геометричних розмірів електродів, п’єзоелементів та металевих пластин, що використовуються в конструкціях асиметричних і симетричних біморфних перетворювачах.
В результаті роботи розширено науково-технічну базу проектування п’єзокерамічних перетворювачів для систем керування, що дають змогу створювати зразки п’єзотехніки з характеристиками, які перевищують кращі зразки закордонних фірм-виробників в цій сфері.
Публікації автора:
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезокерамические преобразователи физических величин / Под ред. В.М. Шарапова. – Черкассы: ЧГТУ, 2005. – 631 с.
Пьезоэлектрические преобразователи: Справочное пособие / В.М. Шарапов И.Г. Минаев, М.П. Мусиенко и др.; Под ред. В.М. Шарапова. – Черкассы: ЧГТУ, 2004. – 435 с.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Кисиль Т.Ю. Исследование симметричных компланарных триморфных пьезопреобразователей давления с обратной связью // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2001. –№2. – С. 33-38.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Роттэ С.В. Диаграммы направленности круглых и овальных асимметричных биморфных пьезоэлектрических излучателей // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2001. – №3. – С. 57-62.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Кисиль Т.Ю. Частотные и временные характеристики триморфных пьезопреобразователей давления с пространственной электромеханической обратной связью // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту: Спецвипуск. – 2001. – С. 65-68.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю. 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., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю. Расширение рабочего диапазона частот пьезокерамических преобразователей с обратной связью // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002. –№2. – С. 80-83.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю. Об одном методе линеаризации АЧХ пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – №1. – С. 14-18.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Минаев Б.Ф. и др. Исследование доменно-диссипативных пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – №2. – С. 17-22.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю. Об одной классификации пьезокерамических преобразователей // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – №3. – С. 116-120.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезодатчики контрольно-измерительных систем // Вісник Технологічного університету Поділля. – Хмельницький. – 2003. – Т.2. – №3.– С. 149-152.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Исследование пьезомагнитных датчиков тахометров // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2003. – №4. – С. 90-93.
Шарапов В.М., Мусієнко М.П. Широкосмугові доменно-дисипативні п’єзокерамічні перетворювачі // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2003. – №6. – С. 127-131.
Мусієнко М.П. Просторова енергосилова структура п'єзокерамічних перетворювачів // “Вісник Національного технічного університету України “КПІ”. Серія “Приладобудування”. – Київ. – 2004. – №27. – С. 22-27.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Доменно-диссипативные пьезоэлектрические преобразователи с обратной связью // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №1. – С. 74-79.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Трембовецкая Р.В. и др. Пьезоэлектрические преобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя напряжения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №2. – С. 132-136.
Мусиенко М.П. Доменно-дисипативні п’єзокерамічні датчики контрольно-вимірювальних систем // Вісник Технологічного університету Поділля. – Хмельницький. – 2004. – Т.3. – Ч.1. –№2. – С. 91-94.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Пьезокерамические преобразователи c дополнительным каналом обратной связи // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №3. – С. 101-107.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Трембовецкая Р.В., Роттэ С.В. Асимметричные биморфные пьезоэлементы в схемах режекторных фильтров // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №3. – С. 108-111.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Исследование доменно-диссипативных пьезопреобразователей с обратной связью // Труды Одесского политехнического университета. – Одеса. – 2004. – Вып. 2(22). – С. 241-246.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. К исследованию модели пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №4. – С. 90-93.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Исследование переходной характеристики пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №4. – С. 87-89.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Трембовецкая Р.В. Преобразователь механических величин на основе биморфных пьезоэлементов в схеме режекторного фильтра // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2004. – №4. – С. 94-96.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Пьезопреобразователи с двумя цепями пространственной электромеханической отрицательной обратной связи // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – №1. – С. 77-81.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Влияние конструктивных параметров прямоугольных магнитов на выходное напряжение пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005.– №1. – С. 82-85.
Мусиенко М.П. Пьезомагнитные датчики тахометров: Збірник наукових праць Національного університету кораблебудування. – Миколаїв: НУК, 2005. – №1 (400). – С. 107-110.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Влияние конструктивных параметров цилиндрических магнитов на выходное напряжение пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – №2. – С. 28-31.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Определение условий повышения точности пьезопреобразователей с двумя цепями обратной связи // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – №2. – С. 24-27.
Мусієнко М.П. Дослідження п’єзокерамічних перетворювачів з двома ланцюгами просторового електромеханічного негативного зворотного зв’язку // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. – №3. – С. 105-109.
Sharapov V., Musiyenko M., Ignatenko N. The methods of the piezoceramic transducers of physical quantities synthesis // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. –№3. – С. 54-57.
Sharapov V., Musiyenko M., Marchenko S. Piezomagnetic sensors of tachometers // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. –№3. – С. 60-63.
Sharapov V., Musiyenko M., Bondarenko Y., Kisil T. About the methods of linearization of a peak-frequency characteristics of piezoceramic transducers // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – №3. – С. 51-53.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Бублей А.В. Пьезоэлектрические преобразователи с комбинированной обратной связью // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – №4. – С. 131-136.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Новое поколение пьезокерамических датчиков физических величин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – Одеса. – 2005. – №5 (59). – С. 15-17.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко и др. Исследование пьезомагнитных датчиков числа оборотов: Междунар. сб. науч. тр. «Прогрессивные технологии и системы машиностроения». – Донецк, 2006. – Выпуск №31. – С. 319-325.
Патент України 62726. Спосіб вимірювання фізичних величин за допомогою п'єзоелектричних елементів / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Балковська Ю.Ю. – МКИ G01L1/16, G01P15/09; Заявка №2003054234 від 12.05.2003; Опубл. 15.12.03, Бюл. №12.
Патент України 64316 A. П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Балковська Ю.Ю.– МКИ G01L1/16, G01P15/09; Заявка №2003054233 від 12.05.2003; Опубл. 16.02.04, Бюл. №2.
Sharapov V., Musiyenko M., Bondarenko Y., Kisil Т. The Synthesis of the Spatial and Energy and Power Structures of the Piezotransducers // 14-th Scientific Symposium with international participation "Metrology And Metrolodgy Assurance 2004". – Sozopol (Bulgaria), 2004. – Р. 131-136.
Sharapov V., Musiyenko M., Marchenko S. The linearization of the gain-frequency characteristics of the piezoceramic transducers // Proceedings of the IVth International Hutsulian Workshop on Mathematical Theories and their Applications in Physics & Technology. – Austria, 2004. – Р. 371-376.
Sharapov V., Musiyenko M. Piezoceramic transducers with two chains of spatial electromechanical negative feedback // Proceedings of the XIII International Symposium on Theoretical Electrical Engineering. – Lviv (Ukraine), 2005. – Р. 371-372.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Методы расширения рабочего диапазона частот пьезокерамических преобразователей // Материалы 10-й междунар. конф. по автоматическому управлению «Автоматика-2003». – Севастополь, 2003. – Т. 2. – С. 112-114.
Мусиенко М.П., Шарапов В.М., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Доменно-угловой диссипативный пьезокерамический преобразователь // Праці ІІ-ї НТК “Приладобудування 2003: стан і перспективи”. – Київ, 2003. – С. 92-93.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю. и др. Доменно-диссипативные пьезодатчики // Материалы ХVI междунар. НТК «Датчик-2004». – Москва, 2004. – С. 37-38.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Балковская Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические преобразователи для авиационных информационно-измерительных систем // Материалы V междунар. научно-технической конференции «АВИА-2003». – Киев, 2003. – С. 13-17.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Синтез пространственной энергосиловой структуры пьезоэлектрических датчиков // Материалы 11-й междунар. конф. по автоматическому управлению «Автоматика-2004». – Киев, 2004. – Т.2. – С. 69.
Мусиенко М.П. Магнитные пьезодатчики частоты вращения валов рабочих механизмов // Труды междунар. НТК «Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта». – Севастополь, 2004. – Т.2 – С. 165-167.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Математическая модель пьезомагнитного датчика тахометра // Труды межгосударственной НМК “Проблемы математического моделирования”. – Днепродзержинск, 2004. – С. 151-152.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Бондаренко Ю.Ю., Кисиль Т.Ю. Пьезокерамические акселерометры // Материалы II междунар. НТК «Вибрация машин: измерение, снижение, защита». – Донецк, 2004. – С. 40-43.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Трембовецкая Р.В. и др. Пьезопреобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя заряда с каналом обратной связи // Труды VI междунар. НПК “Современные информационные и электронные технологии-2005”. – Одесса, 2005. – С. 276.
