Трембовецька Руслана Володимирівна. Створення перетворювачів механічних величин з п'єзоелементами в схемах електричних фільтрів

brief description

Трембовецька Руслана Володимирівна. Створення перетворювачів механічних величин з п'єзоелементами в схемах електричних фільтрів : дис... канд. техн. наук: 05.13.05 / Черкаський держ. технологічний ун-т. - Черкаси, 2005

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:

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

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 СПЕ3у вхідному ланцюзі і СПЕ2в ланцюзі зворотного зв’язку. При збільшенні опору R2 в n раз частота зрізу перетворювача зменшується в n раз. При збільшенні міжелектродної ємності СПЕ3в 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 СПЕ1= СПЕ2, і.

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.