Методи і засоби покращення характеристик п’єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів

Размещено на http://www.allbest.ru/

черкаський державний технологічний УНіВЕРСИТЕТ

УДК 534.232.4

методи покращення характеристик п'єзомагнітних перетворювачів числа

обертів валів робочих механізмів

05.13.05 - Елементи та пристрої

обчислювальної техніки та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

марченко сергій Вікторович

Черкаси - 2005



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Мусієнко Максим Павлович, Черкаський державний технологічний університет, доцент кафедри комп'ютеризованих та інформаційних технологій в приладобудуванні.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кочкарьов Юрій Олександрович, Черкаський державний технологічний університет, професор кафедри інформатики та інформаційної безпеки;

доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, директор експертного центру „Сенсорна електроніка”

Провідна установа Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматики і інформаційно-вимірювальної техніки, м. Вінниця.

Захист відбудеться “ 25 ” листопада 2005 р. о 13⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий “ 21 ” жовтня 2005 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради В.В. Палагін



Анотація

Марченко С.В. Методи і засоби покращення характеристик п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів. - 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.

Дисертація присвячена розробці методів і засобів покращення характеристик п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів і створенню на цій основі конкурентноздатних зразків таких виробів. магніт перетворювач оберт кут

В дисертаційній роботі побудовані і досліджені структурні схеми, передатні функції і перехідні характеристики п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів. Отримані аналітичні вирази для розрахунку діаметра і ширини циліндричних і прямокутних магнітів п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів. Досліджено вплив зміни магнітного поля в робочому зазорі перетворювачів, визначено вплив кута повороту магнітів на характеристики п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів.

Запропоновані методи розширення діапазону вимірювання, підвищення рівня вихідної напруги п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів за допомогою зміни конструкції магнітів, використання біморфного п'єзоелемента, додаткової маси. Досліджені методи придушення вібраційних завад п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

Ключові слова: п'єзомагнітний перетворювач, робочий зазор, діапазон вимірювання, вібраційна завада.



Аннотация

Марченко С.В. Методы и средства улучшения характеристик пьезомагнитных преобразователей числа оборотов валов рабочих механизмов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05.- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2005.

Диссертация посвящена разработке методов и средств улучшения характеристик пьезомагнитных преобразователей числа оборотов валов рабочих механизмов и созданию на этой основе конкурентоспособных образцов таких изделий.

В диссертационной работе впервые построены и исследованы структурные схемы, а также получены и исследованы передаточные функции и переходные характеристики пьезомагнитных преобразователей числа оборотов, что позволяет проектировать преобразователи с улучшенными техническими характеристиками.

В работе были получены аналитические выражения для расчета диаметра и ширины цилиндрических и прямоугольных магнитов пьезомагнитных преобразователей числа оборотов, учитывающие длину магнита и величину зазора между магнитами.

Исследовано влияние изменения магнитного поля в рабочем зазоре преобразователей, в частности, влияние угла между магнитами и воздушного зазора в постоянных магнитах. Доказано, что уровень выходного напряжения преобразователя зависит от величины угла между постоянными магнитами. При ненулевом угле максимальный уровень выходного напряжения достигается при угле, равном 25°. Показано, что введение в конструкцию постоянных магнитов пьезомагнитного преобразователя зазора величиной 30-90 мкм приводит к увеличению уровня выходного напряжения до 50% по сравнению с преобразователями с неразделенными магнитами.

В работе были разработаны методы повышения уровня выходного сигнала пьезомагнитных преобразователей. Изменением конструкции постоянных магнитов удалось в 1,5-4 раза повысить уровень выходного сигнала. При использовании биморфного пьезоэлемента удалось повысить уровень выходного сигнала более чем в 10 раз. Другим методом повышения уровня выходного сигнала пьезомагнитных преобразователей является использование дополнительной массы, прикрепленной к пьезоэлементу. Это вызывает увеличение амплитуды колебания пьезоэлемента, а следовательно, и увеличение уровня выходного напряжения в 5-10 раз.

Разработаны методы увеличения точности измерения числа оборотов рабочих валов. Одним из них является изменение конструкции магнитов, в результате чего увеличивается количество выходных импульсов преобразователя на одно входное воздействие. Другим методом повышения точности является применение доменно-диссипативных пьезоэлементов, которые обладают свойствами апериодических звеньев. Это позволило подавить нежелательные импульсы, которые возникали ранее из-за колебательных свойств традиционных пьезоэлементов и приводили к ложным срабатываниям счетчика.

В диссертационной работе были исследованы методы подавления вибрационных помех пьезомагнитных преобразователей. Установлено, что отношение полезный/вибрационный сигнал увеличивается при использовании двух пьезоэлементов, поляризованных по толщине и имеющих одинаковую высоту и толщину, но разную ширину, которые соединены между собой разнополярными электродами; а также при использовании поляризованного по толщине пьезоэлемента, один из электродов которого разделен на две части: в виде кольца с внешним диаметром D, и в виде диска диаметром d, причем D = 1,4 d.

Для решения поставленных задач использовались методы расчета постоянных магнитов, подавления вибрационных помех пьезопреобразователей, теории автоматического управления, теории электрических цепей, методы электромеханических аналогий, экспериментальные исследования и компьютерное моделирование.

Достоверность полученных научных результатов и выводов проверена сравнением теоретических положений с экспериментальными данными и зависимостями, изготовлением опытных образцов и их испытаниями.

Разработанные методы, схемные и конструктивные решения расширили научно-техническую базу для проектирования пьезомагнитных преобразователей.

Исследованные преобразователи используются в промышленности, в частности, на НПК “Фотоприбор” и в ОАО “Укрпьезо” г. Черкассы, а также в учебном процессе в курсе дисциплины “Преобразующие устройства приборов” в Черкасском государственном технологическом университете.

Ключевые слова: пьезомагнитный преобразователь, рабочий зазор, диапазон измерения, вибрационная помеха.



summary

Marchenko S.V. Methods and facilities of improvement of descriptions of piezomagnetic transducers of number of turns of working mechanisms billows. - Manuscript.

The thesis on gaining the scientific degree of candidate of engineering sciences on a speciality 05.13.05. - Elements and devices of the computer facilities and control systems. Cherkassy state technological university, Cherkassy, 2005.

The thesis is devoted to the development of methods and facilities of improvement of descriptions of piezomagnetic transducers of number of turns of working mechanisms billows and creation on this basis of competitive standards of such wares.

The structural diagrams, transmission functions and transitional descriptions of piezomagnetic transducers of number of turns, are built and explored in the thesis. The analytical expressions for the calculation of diameter and width of cylinder and rectangular magnets of piezomagnetic transducers of number of turns were got. Influencing of the magnetic field change is explored in the working gap of transducers, the influence of the angle of magnets turn on the descriptions of piezomagnetic transducers of number of turns was defined.

The methods of measuring range expansion, the increase of initial tension level of the piezomagnetic transducers of number of turns by means of the magnets construction change, the usage of bimorph piezoelement, additional weight are offered. The methods of suppression of vibration hindrances of piezomagnetic transducers of number of turns of working mechanisms billows were explored.

Keywords: piezomagnetic transducer, working gap, range of measuring, vibration hindrance.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота присвячена подальшому вдосконаленню і створенню нових елементів і пристроїв для систем управління, приладобудування і обчислювальної техніки, зокрема, п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

Розвиток автоматичних систем управління підвищив вимоги, що пред'являються до первинних перетворювачів. Виникла необхідність створення нових перетворювачів, і зросли вимоги до вже відомих.

Від характеристик перетворювачів значною мірою залежать точність і надійність роботи систем керування і регулювання, приладів контролю технологічних процесів, навколишнього середовища, безпека роботи теплових, ядерних, хімічних установок, літальних апаратів і морських об'єктів, тому роботи із створення нових і вдосконалення відомих перетворювачів є дуже актуальними.

Протягом останніх десятиріч був досягнутий значний прогрес у даній області, і, як наслідок, було створено безліч різних типів перетворювачів числа обертів: електромагнітних, фотоелектричних, контактних, які використовуються для систем керування, в літальних апаратах, вимірювальній техніці та ін.

Проте всі вони мають ряд недоліків: вплив зовнішніх електричних і магнітних полів, низька чутливість, велика похибка вимірювання, наявність додаткових джерел живлення і т.д.

Тому розробка і вдосконалення перетворювачів, що мають високу чутливість, малу масу і габарити, низьке енергоспоживання є дуже актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до прикладної держбюджетної науково-дослідної роботи „Розробка методів синтезу п'єзокерамічних перетворювачів статичних та динамічних тисків і лінійних та вібраційних прискорень з заданими характеристиками” (держ. реєстр. № 0103U003690).

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є розробка методів і засобів покращення характеристик п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів для створення на їх основі пристроїв систем керування з високими якісними і експлуатаційними показниками.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні задачі:

1. Проаналізовані переваги і недоліки відомих методів і засобів визначення числа обертів робочих валів.

2. Побудовані і досліджені структурні схеми, передаточні функції і перехідні характеристики п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів.

3. Визначено вплив форм і геометричних розмірів магнітів на рівень вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів.

4. Досліджені способи зміни магнітного поля в зазорі між магнітами і їх вплив на характеристики п'єзомагнітних перетворювачів.

5. Розроблені методи підвищення рівня вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів.

6. Розроблені методи зменшення вібраційної завади п'єзомагнітних перетворювачів частоти обертання валів робочих механізмів.

7. Розроблені методи підвищення точності вимірювання числа обертів п'єзомагнітних перетворювачів.

Об'єкт дослідження - п'єзомагнітні перетворювачі числа обертів валів робочих механізмів.

Предмет дослідження - методи покращення характеристик п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої задачі використовувалися методи розрахунку постійних магнітів, теорії автоматичного керування, методи теорії ймовірності і математичної статистики, теорії електричних кіл, методи електромеханічних аналогій, експериментальні дослідження і комп'ютерне моделювання.

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними та залежностями, виготовленням дослідних зразків і їх випробуваннями.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше побудовані і досліджені структурні схеми, а також отримані і досліджені передаточні функції і перехідні характеристики п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів, що дозволяє проектувати перетворювачі з покращеними технічними характеристиками.

Вперше отримані аналітичні вирази для розрахунку діаметра і ширини циліндричних і прямокутних магнітів п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів, що враховують довжину магніту і величину зазору між магнітами, що дозволяє підвищити рівень вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів.

Вперше розроблені методи підвищення рівня вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів шляхом зміни кутів поворотів магнітів, внесення повітряних зазорів в конструкцію магнітів, використання додаткової маси, прикріпленої до п'єзоелемента, та шляхом зміни конструкції магнітів.

Одержали подальший розвиток методи зменшення вібраційних завад п'єзокерамічних перетворювачів. Встановлено, що співвідношення корисний/вібраційний сигнал збільшується при використанні двох п'єзоелементів, поляризованих по товщині, однакових по висоті, товщині і різних по ширині, з'єднаних між собою електродами, що нанесені на області п'єзоелементів з різним напрямом поляризації; а також при використанні поляризованого по товщині п'єзоелемента з електродами у вигляді кільця із зовнішнім діаметром D і диска діаметром d, причому D = 1,4 d, які нанесені на області п'єзоелемента з різним напрямом поляризації.

Вперше запропоновані методи підвищення точності вимірювання числа обертів за рахунок зміни напряму намагнічування магнітів п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів і взаємного розташування векторів поляризації п'єзоелемента та напруженості електричного поля вихідного сигналу.

Наукова і інженерно-технічна новизна результатів і досліджень підтверджується публікаціями і патентами України.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розроблені методи розширили науково-технічну базу проектування п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

2. Розроблені методи дозволяють підвищити рівень вихідної напруги, точність, а також розширити діапазон вимірювання п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

3. Аналітичні вирази для розрахунку діаметра і ширини циліндричних і прямокутних магнітів п'єзомагнітних перетворювачів, які враховують довжину магніту і величину зазору між магнітами, дозволяють розрахувати конструктивні параметри перетворювачів, що сприяє синтезу п'єзомагнітних перетворювачів з високими технічними характеристиками.

Результати досліджень використовуються в промисловості, зокрема, в НВК “Фотоприлад” і в АТ “Укрп'єзо” м. Черкаси, а також в учбовому процесі в курсі дисципліни “Перетворюючі пристрої приладів” в Черкаському державному технологічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Дослідження підтверджені двома індивідуальними [12, 18] та 15 публікаціями у співавторстві, а також 12 патентами України. Автор побудував модель [3, 23, 26] і дослідив передаточні функції і перехідні характеристики [4, 5, 22] п'єзомагнітного перетворювача; дослідив способи зміни магнітного поля в зазорі між магнітами і їх вплив на характеристики п'єзомагнітного перетворювача [1]; запропонував нові методи підвищення рівня вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів [2, 13-15, 24, 25, 27, 29]. Запропонував способи підвищення точності вимірювання числа обертів п'єзомагнітних перетворювачів за допомогою зміни конструкції магнітів, а також за допомогою зміни конструкції пьезоэлемента [9-11, 21, 28]. Дослідив вплив конструктивних параметрів циліндричних і прямокутних магнітів на вихідну напругу п'єзомагнітних перетворювачів [6, 7, 29]. Крім того, автор запропонував конструкції перетворювачів, які дозволяють збільшити діапазон вимірювання числа обертів [8, 19, 21, 28], а також зменшити вплив вібраційної завади на результати вимірювань п'єзомагнітних перетворювачів [16, 17, 20].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на 10 міжнародних конференціях і симпозіумах: XIV International Hutsulian Workshop on Mathematical Theories and their Applications in Physics & Technology (Austria, 2004); XIII International Symposium on Theoretical Electrical Engineering (Lviv, 2005); Міждержавна науково-методична конференція “Проблеми математичного моделювання” (Дніпродзержинськ, 2004); ХVІ міжнародна науково-технічна конференція ”Датчик-2004“ (Москва - Гурзуф, 2004); Міжнародна науково-технічна конференція “Приладобудування-2004” (Вінниця-Ялта, 2004); VII Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2005); IV науково-технічна конференція “Приладобудування: стан і перспективи розвитку” (Київ, 2005); III міжнародна науково-технічна конференція “Вібрація машин: вимірювання, зниження, захист” (Донецьк, 2005); “Сучасні інформаційні і електронні технології” (Одеса, 2005); Міжнародна науково-технічна конференція “Датчики, прилади і системи-2005” (Ялта, 2005).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 29 основних наукових працях, у тому числі в 6 статтях у журналах, затверджених ВАК України, а також:

10 доповідях і тезах на міжнародних конференціях;

12 патентах України на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. Дисертація містить 134 сторінки, у тому числі 70 рисунків, 11 таблиць, список використаних джерел із 80 найменувань і 4 додатки.

Основний ЗМІСТ роботи

У вступі обґрунтована актуальність напряму дослідження, сформульовані мета і задачі дослідження, відображені наукова новизна і практична цінність роботи, приведені дані про апробацію, публікації і впровадження результатів дослідження.

У першому розділі приведений аналіз відомих методів і засобів визначення частоти обертання, оцінені їх переваги і недоліки. Контактні перетворювачі відрізняються простотою і дешевизною конструкції, але мають низьку надійність через брязкіт контактів; фотоелектричні мають високу розподільну здатність, але не можуть працювати в умовах оптичної забрудненості навколишнього середовища.

Високою потужністю вихідного сигналу відрізняються індуктивні перетворювачі, але вони дуже чутливі до впливу зовнішніх магнітних полів, мають в конструкції моткові вироби.

Найбільш поширеними для вимірювання частоти обертання є датчики Холу, перевагами яких є багатофункціональність, малогабаритність, дешевизна. Проте вони дуже чутливі до впливу температури навколишнього середовища, потребують джерела живлення і мостової схеми включення, мають відносно низьку чутливість, насичення і гістерезис.

Тому перспективними для використання в системах контролю і керування є п'єзомагнітні перетворювачі, до основних переваг яких можна віднести безконтактність, малу масу і габарити, відсутність додаткових джерел живлення.

Недоліками відомих п'єзомагнітних перетворювачів є відносно низький рівень вихідного сигналу, чутливість до впливу вібраційної завади, низька точність вимірювання, порівняно вузький діапазон вимірювання числа обертів.

В другому розділі були побудовані і досліджені фізичні і математичні моделі п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

Принцип роботи перетворювача (рис. 1) полягає в наступному. На валу досліджуваного механізму закріплено постійний магніт М1. На статорі С закріплено п'єзоелемент ПЕ з двома електродами, до якого прикріплений постійний магніт М2. При обертанні валу постійний магніт М1 при кожному оберті проходить поблизу нерухомо встановленого магніту М2. При цьому магніти, притягуючись (або відштовхуючись), впливають на п'єзоелемент ПЕ, викликаючи його деформацію. Це (завдяки прямому п'єзоефекту) приводить до появи напруги U_ПЕ на електродах п'єзоелемента.

Зміна відстані між магнітами l(t) викликає зміну проникності форми повітряного зазору m (ланка k₂), яка залежить тільки від форми повітряного проміжку.

Ланка k₃ відповідає перетворенню зміни величини m при взаємодії між магнітами (зусилля F_М), яка визначається формулою

де м₀ - магнітна постійна (м₀ = 4р?10^-7 Гн/м), В - магнітна індукція (Тл), r - коефіцієнт повернення (Гн/м), l - товщина магніту (м).

Ланка k₄ відповідає перетворенню сили взаємодії між магнітами F_М в силу, яка тисне на п'єзоелемент F_П, і є інерційною (аперіодичною) ланкою другого порядку з передаточною функцією:



,

де Т₁ = RC; Т₂ = CL (R, C, L - опір, ємність і індуктивність п'єзоелемента)

Ланка з коефіцієнтом передачі k₅ відповідає перетворенню сили F_П в заряд q на електродах п'єзоелемента:

k₅ = = d₃₁,

де d₃₁ - п'єзомодуль.

Ланка k₆ описує перетворення заряду q в напругу на електродах п'єзоелемента U_ПЕ:

k₆ = .

Загальна передаточна функція прийме вигляд

К(р)= k₁ k₂ k₃(р) k₄(р) k₅ k₆.

Для отримання перехідної характеристики була використана формула взаємозв'язку між частотними і перехідними характеристиками:

h(t)= ,

де Re(К(p)) - дійсна складова частотної характеристики, - кутова швидкість.

Форма розрахованого сигналу співпадає з додатною півхвилею експериментально одержаного сигналу. Від'ємна півхвиля відповідає процесу зворотної деформації п'єзоелемента, який відбувається при віддаленні магнітів один від одного. Теоретично ця форма сигналу може бути одержана при зміні меж інтегрування у формулі (7).

Таким чином, побудована модель п'єзомагнітного перетворювача є коректною.

В роботі було визначено вплив геометричних розмірів циліндричних і прямокутних магнітів на вихідну напругу п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

Встановлено, що рівень вихідної напруги пропорційно залежить від довжини магнітів.

Кожному значенню робочого зазору д відповідає оптимальне, з точки зору вихідної напруги, значення діаметру (для циліндричних) і ширини (для прямокутних) магнітів.

Графіки залежностей діаметра (для циліндричних магнітів) і ширини (для прямокутних) магніту від величини зазору д мають лінійний характер і можуть бути апроксимовані кривими з рівнянням:

у = kx + b

що дозволяє розраховувати необхідне значення діаметра d і ширини а для будь-якого значення зазору д.

Таким чином, одержані аналітичні вирази для розрахунку діаметра і ширини циліндричних і прямокутних магнітів п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів, які враховують довжину магніту і величину зазору між магнітами, що дозволяє синтезувати п'єзомагнітні перетворювачі з високими технічними характеристиками.

В третьому розділі були досліджені способи зміни магнітного поля в зазорі між магнітами і їх вплив на характеристики п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів.

Точний розрахунок сили притяжіння постійних магнітів в залежності від їх геометричних розмірів можливий тільки в окремих випадках - при відносно простій картині магнітного поля. Цим вимогам відповідає розташування магнітів в двох плоскопаралельних площинах. В інших випадках розрахунок сил взаємодії між магнітами проводиться за допомогою визначення магнітної провідності.

При цьому вихідна напруга п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів визначається з виразу

,

де d_ij - п'єзомодуль; F - сила притяжіння постійних магнітів; С - ємність п'єзоелемента; µ₀ - магнітна постійна, B - магнітна індукція; H_c - коерцитивна сила, G_m - магнітна провідність; l_m - довжина магніту.

Аналіз відомих методів визначення магнітної провідності показав, що найменша похибка розрахунку вихідної напруги п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів (при різних значеннях величини робочого зазору) спостерігається при використанні методу конформних перетворень:

,

де а, b - висота і ширина магнітів; - довжина робочого зазору; k - коефіцієнт, який залежить від співвідношення довжини магніту до повітряного зазору, (зазвичай k = 0,307ч1).

На практиці не завжди можна розмістити магніти перетворювача в паралельних площинах, тому іноді вони знаходяться під кутом один до одного.

Вплив кута між постійними магнітами (для магнітів прямокутної форми) на вихідну напругу п'єзомагнітного перетворювача визначається виразом

,

де .

Для проведення експерименту був виготовлений перетворювач, в якому використовувався дисковий п'єзоелемент 20х1 мм з п'єзокераміки ЦТС-19 і два магніти 5х10х3 мм із самарій-кобальту. Один з магнітів був прикріплений до ротора робочого валу, а інший - до п'єзоелемента і обернений до першого магніту під кутом . Величина робочого зазору складала 2 мм. В якості двигуна використовувався ДПМ-20Н3-01 з частотою обертання 9000 об/хв.

Залежність має періодичний резонансний характер. За наявності відмінного від нуля кута між магнітами, максимальний рівень вихідної напруги відповідає куту = 25°.

Одним із способів зміни магнітного поля в робочому зазорі є введення в конструкцію магніту повітряного зазору. Величина внесеного зазору впливає на рівень вихідної напруги перетворювача.

В четвертому розділі розроблені методи підвищення рівня вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів.

Одним з цих методів є зміна розташування магнітів, при якому відбувається зміна картини магнітного поля.

Зміна розташування магнітів приводить до збільшення амплітуди вихідної напруги в 1,5-4 рази. Це пояснюється зрощуванням магніт-них ліній, а, отже, збільшенням густини магнітного поля.

Іншим методом підвищення рівня вихідного сигналу п'єзомагнітних перетворювачів є використання біморфного п'єзоелемента. При цьому товщинні коливання пьезоэлемента замінюються згинними коливаннями, що дозволяє збільшити амплітуду вихідної напруги більше ніж в 10 разів.

Було експериментально встановлено, що максимальний рівень вихідного сигналу п'єзомагнітного перетворювача при використанні біморфного п'єзоелемента досягається при співвідношенні товщини металевої пластини h_m і товщини п'єзоелемента h_р рівному 0,25 < h_m/h_p < 0,6, а також при співвідношенні діаметра п'єзоелемента d_р і діаметра пластини d_m рівному 0,4 < d_р/d_m < 0,7.

Збільшення рівня вихідного сигналу в 5-10 разів досягається завдяки використанню додаткової маси, прикріпленої до п'єзоелемента. Це викликає збільшення амплітуди коливання п'єзоелемента, а, отже, і збільшення амплітуди вихідної напруги.

Одним з недоліків відомих п'єзомагнітних перетворювачів є значний вплив вібраційної завади, оскільки магніт, прикріплений до п'єзоелемента служить інерційною масою.

Були розроблені методи зменшення вібраційної завади п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів.

Одним з них є використання електродів різної форми і однакової площі, нанесених на області п'єзоелемента з різним напрямом поляризації, що приводить до значного зменшення вібраційних завад F_віб при незначному зменшенні корисного сигналу F_сиг:

U_ВЫХ = U_Д + U_К = U_Д - 0,5U_Д = 0,5U_Д.

Зменшення вібраційної завади можна досягти при використанні додаткового п'єзоелемента, який відрізняється від існуючого тільки значенням ширини.

В роботі досліджувалися методи підвищення точності вимірювання п'єзомагнітних перетворювачів. Одним з них є зміна напряму вектора намагніченості постійних магнітів перетворювача, за допомогою якого на одну вимірювальну дію (тобто на один оберт валу робочого механізму) одержуємо декілька вихідних сигналів, у тому числі різної полярності. Це дозволяє (при установці спеціальних детектуючих пристроїв) підвищити точність вимірювання числа обертів.

Іншим методом підвищення точності п'єзомагнітних перетворювачів є використання доменно-дисипативних п'єзоелементів, розроблених за участю автора. При цьому зникає коливальний процес, властивий звичайним п'єзоелементам, а, отже, і помилкові спрацьовування лічильника імпульсів. Відсутність коливального процесу пояснюється наявністю великого внутрішнього опору в доменно-дисипативних п'єзоелементах.

Недоліком відомих п'єзомагнітних перетворювачів є порівняно вузький діапазон вимірювання числа обертів (до 30 тис. об/хв).

Намагнічування магнітів по товщині приводить до однієї взаємодії (притягненню або відштовхуванню) між магнітами, що викликає тільки один короткий вихідний імпульс п'єзомагнітного перетворювача.

Таким чином, при зменшенні тривалості вихідного імпульсу, розширяється діапазон вимірювання числа обертів п'єзомагнітного перетворювача (до 120 тис. об/хв).



Висновки

Основні результати дисертаційної роботи такі:

1. Проведені дослідження, направлені на вдосконалення п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів, що використовуються в системах автоматичного управління, приладобудуванні, а також у вимірювальній техніці, виявлено ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи досліджень.

Одержані результати використовуються в промисловості і в учбовому процесі.

2. Розроблені методи, схемні і конструктивні рішення розширили науково-технічну базу для проектування п'єзомагнітних перетворювачів числа обертів валів робочих механізмів з покращеними характеристиками.

3. В результаті дослідження структурних схем і передаточних характеристик, а також проведення експериментальних досліджень перетворювачів встановлено, що п'єзомагнітний перетворювач має властивості інерційної (аперіодичної) ланки, що пояснює відсутність коливальних властивостей системи, побудованої з використанням п'єзоелемента, якому притаманні коливальні властивості.

4. В результаті аналізу п'єзомагнітних перетворювачів було встановлено, що:

- для підвищення вихідної напруги п'єзомагнітного перетворювача з циліндричними і прямокутними магнітами необхідно зменшувати зазор д. При збільшенні зазору д, для отримання максимального рівня вихідного сигналу, необхідно збільшувати співвідношення d/l (для циліндричних) і а/b (для прямокутних) магнітів;

- для отримання максимального рівня вихідної напруги (при збільшенні зазору д) необхідно збільшувати діаметр d при l = const;

- максимальний рівень вихідної напруги (при збільшенні зазору д) спостерігається при збільшенні ширини магнітів а при l = const;

- для підвищення рівня вихідної напруги п'єзомагнітного перетворювача, необхідно збільшувати довжину l магніту.

5. В результаті дослідження способів зміни магнітного поля в зазорі між магнітами було встановлено наступне:

- рівень вихідної напруги п'єзомагнітного перетворювача залежить від величини кута між постійними магнітами;

- при розташуванні магнітів під кутом один до одного найбільше значення амплітуди вихідної напруги п'єзомагнітного перетворювача досягається при куті між постійними магнітами, рівному ? 25°;

- введення в конструкцію постійного магніту п'єзомагнітного перетворювача повітряного зазору завдовжки l_з = 30ч90 мкм приводить до збільшення рівня вихідної напруги до 50% у порівнянні з використанням неподіленого магніту.

6. Встановлено, що підвищення рівня вихідної напруги п'єзомагнітних перетворювачів можна досягти:

- зміною конструкції постійних магнітів (в 1,5-4 рази);

- використанням біморфного п'єзоелемента (більш ніж в 10 разів);

- використанням інерційної маси п'єзоелемента (в 5-10 разів).

7. В результаті досліджень встановлено, що придушення вібраційної завади п'єзомагнітних перетворювачів можна досягти при використанні двох п'єзоелементів, поляризованих по товщині, однакових по висоті, товщині і різних по ширині, з'єднаних між собою електродами, що нанесені на області п'єзоелементів з різним напрямом поляризації; а також при використанні поляризованого по товщині п'єзоелемента з електродами у вигляді кільця із зовнішнім діаметром D і диска діаметром d, причому D = 1,4 d, які нанесені на області п'єзоелемента з різним напрямом поляризації.

8. Експериментально встановлено, що підвищення точності вимірювання п'єзомагнітних перетворювачів можна досягти:

- шляхом використання доменно-дисипативних п'єзоелементів, розроблених за участю автора;

- за допомогою зміни конструкції магнітів п'єзомагнітного перетворювача.

9. В результаті досліджень встановлено, що збільшення діапазону вимірювань числа обертів п'єзомагнітних перетворювачів досягається при використанні магнітів, які намагнічені по товщині і мають малу площу поперечного перерізу.



список опублікованих праць за темою дисертації

1. Sharapov V.M., Marchenko S.V., Musiyenko M.P. Piezomagnetic sensors of tachometers // Вісник ЧДТУ. - 2005. - №3. - С. 60-63.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Исследование пьезомагнитных датчиков тахометров // Вісник ЧДТУ. - 2003. - №4. - С. 90-93.

3. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Математические модели магнитных пьезодатчиков тахометров // “Математичне моделювання” - ДДТУ, Дніпродзержинськ. - 2004. - №1. - С.61-63.

4. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Исследование переходной характеристики пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник ЧДТУ. - 2004. - №4. - С. 87-90.

5. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. К исследованию модели пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник ЧДТУ. - 2004. - №4. - С. 90-95.

6. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Влияние конструктивных параметров прямоугольных магнитов на выходное напряжение пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник ЧДТУ. - 2005. - №1. - С. 82-85.

7. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Влияние конструктивных параметров цилиндрических магнитов на выходное напряжение пьезомагнитного датчика тахометра // Вісник ЧДТУ. - 2005. - №2. - C. 28-31.

8. Патент України №65324 - МКИ G01L1/16; G10P15/09 П'єзоелектричний перетворювач механічних величин / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. и др. - Заявл. 11.07.03; Опубл. 15.03.04, Бюл. №3. - 8 с.

9. Патент України №70590 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 12.12.03; Опубл. 15.10.04, Бюл. №10. - 6 с.

10. Патент України №70591 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В., Матухно О.В. - Заявл. 12.12.03; Опубл. 15.10.04, Бюл. №10. - 6 с.

11. Патент України №71257 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 12.12.03; Опубл. 15.11.04, Бюл. №11. - 6 с.

12. Патент України №7941 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.07.05, Бюл. №7. - 6 с.

13. Патент України №7943 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.07.05, Бюл. №7. - 6 с.

14. Патент України №7944 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.07.05, Бюл. №7. - 6 с.

15. Патент України №8500 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.08.05, Бюл. №8. - 7 с.

16. Патент України №8502 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.08.05, Бюл. №8. - 6 с.

17. Патент України №8504 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.08.05, Бюл. №8. - 7 с.

18. Патент України №8505 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.08.05, Бюл. №8. - 6 с.

19. Патент України №8509 - МКИ G01P3/48 П'єзомагнітний тахометр / Шарапов В.М., Мусієнко М.П., Марченко С.В. - Заявл. 20.12.04; Опубл. 15.08.05, Бюл. №8. - 6 с.

20. Шарапов В.М., Марченко С.В., Мусиенко М.П., Бондаренко Ю.Ю. Подавление вибрационной помехи пьезомагнитных датчиков тахометров // Труды III международной научно-технической конференции “Вибрация машин: измерение, снижение, защита”. - Донецк, 2005. - С. 29-31.

21. Sharapov V., Musienko M., Marchenko S. The linearization of the gain-frequency characteristics of the piezoceramic transducers // XIV International Hutsulian Workshop “Mathematical Theories and their Physical and Technical Applications”, Austria, 2003. - P. 371-376.

22. Sharapov V.M., Musiyenko M.P., Marchenko S.V., Tuz V.V. The research of piezomagnetic sensors of number of turns of working mechanisms billows // XIII International Symposium on Theoretical Electrical Engineering, Lviv, 2005. - P. 373-375.

23. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Математическая модель пьезомагнитного датчика тахометра // Тези доповідей міждержавної науково-методичної конференції “Проблеми математичного моделювання”. - Дніпродзержинськ, 2004. - С. 151-152.

24. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. и др. Пьезомагнитные датчики частоты вращения валов механизмов // Труды ХVІ межд. НТК “Датчик-2004”. - Москва-Гурзуф, 2004. - С. 35-36.

25. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В., Туз В.В. Магнитные пьезодатчики тахометров // Сборник трудов международной научно-технической конференции “Приборостроение 2004”. - Винница-Ялта, 2004. - С.4-6.

26. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Построение математической модели пьезомагнитного датчика тахометра // VII Міжнародна молодіжна науково-практична конференція “Людина і космос”: Збірник тез. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2005. - С. 244.

27. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. Методы повышения амплитуды выходного сигнала пьезомагнитного преобразователя числа оборотов // Збірник тез доповідей IV науково-технічної конференції “Приладобудування: стан і перспективи”. - Київ: НТУУ “КПІ”, 2005. - C. 121.

28. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. и др. Пьезопреобразователи с пьезоэлементом в цепи обратной связи усилителя заряда с каналом обратной связи // Труды VI международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса, 2005. - С. 276.

29. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Марченко С.В. и др. Исследование пьезомагнитных датчиков частоты вращения рабочих валов // Труды VI международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса, 2005. - С. 277.

Размещено на Allbest.ru

...