Мусієнко Максим Павлович. Теоретичні основи, методи та засоби структурно-енергосилового перетворення на основі поліелектродних п'єзокерамічних елементів для систем керування

Краткое описание

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

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.