Введение к работе
Актуальность работы. Быстрое развитие современной техники приводит к необходимости повышения ее надежности, производительности, эффективности и безопасности. Эти качества в значительной степени зависят от способности изделия воспринимать различного рода динамические, в частности вибрационные нагрузки. В.связи с этим возникают задачи более глубокого изучения причин возникновения механических колебаний и исследования динамических характеристик конструкций, находящихся под воздействием вибраций. С развитием техники большое значение приобретает получение достоверной информации о функционировании различных устройств. Также требует изучения влияние шума и вибраций на организм человека, на качество и срок службы различных изделий. Для решения этих задач требуется создание высокоточной измерительной техники, автоматизированных управляющих и информационно-измерительных систем и датчиков различного назначения для них.
Важнейшими элементами измерительной системы являются датчики первичной информации или измерительные преобразователи (ИП). ИП непосредственно воспринимают измеряемую величину и вырабатывают сигнал измерительной информации, оказывая решающее влияние на качество работы всей измерительной системы.
Современные изделия машиностроения несут на себе целый комплекс датчиков первичной информации. Например, современные летательные аппараты, легковые автомобили имеют сотни датчиков различного назначения. Поэтому при возможно более миниатюрных габаритах датчики должны обладать высокой чувствительностью, хорошими метрологическими характеристиками (точностью), прочностью, надежностью, технологичностью и т. д.
Проблема создания высокочувствительных малогабаритных датчиков первичной информации является одной из актуальных задач современной техники. Для решения этой проблемы необходимо иметь методы и алгоритмы определения рациональных проектных параметров датчика.
Одним из основных функциональных узлов ИЛ является его чувствительный элемент (ЧЭ), который служит для приема сигнала измерительной информации и преобразования его в другую физическую величину - выходной сигнал (обычно электрической природы). От качества ЧЭ практически полностью зависят точность и надежность Ж
Среди всего многообразия датчиков,измеряющих параметры вибрации, акселерометры с пьезоэлектрическим ЧЭ занимают одно из веду-
- 4 -щих мест. Сфера их применения достаточно широка и включает в себ$ виброметрию, системы автоматизированного управления и контроля параметров вибрации, различные диагностические системы.
ЧЭ пьезоэлектрических акселерометров работают в динамически) режимах. Поэтому проблема повышения качества ИП представляет собоі проблему разработки и создания ЧЭ, имеющих заданные динамические характеристики. При современных требованиях к ИП эта проблеме должна решаться на основе глубокого теоретического анализа работі данных преобразователей в динамических режимах.
В настоящее время исследование динамических характеристик Ч< ИП проводится в основном экспериментальными методами. Использовались приближенные методы расчета, однако они разработаны не дл$ всех типов конструкций пьезоакселерометров и не всегда с их помощью можно получить с достаточной точностью требуемые характеристики. Поэтому создание эффективных алгоритмов расчета ЧЭ пьезоакселерометров представляется актуальной задачей, решение котороі будет способствовать созданию новых и совершенствованию существующих конструкций.
Цели диссертационной работы состоят в:
-
разработке алгоритмов численного расчета основных динамических характеристик чувствительных элементов пьезоэлектрически; акселерометров низкой частоты, с учетом их реальных геометрических, инерционных и механических свойств,
-
проведении теоретического анализа процессов преобразована сигналов датчиками данного типа в динамических режимах работы і создании алгоритмов расчета характеристик динамической точности і применении к данным датчикам,
-
создании эффективных программ численного расчета основные динамических характеристик ЧЭ пьезоэлектрических акселерометров,
-
разработке алгоритмов и программ рационального проектирования пьезоэлектрических акселерометров с заданными динамическим! характеристиками,
Г), применении разработанных мотодоп и алгоритмов аналипа дина мических процессов в упругих чувствительных элементах пьезоэлектрических акселерометров к расчету и проектированию реальных конструкций датчиков данного типа.
Основные задачи, решаемые в работе:
1. определение собственных частот, форм, амплитудно и фазочастотних характеристик пьезоакселерометров с учетом взаимодейс-
- 5 -твия упругих и электрических полей,
?.. расчет чувствительности датчика к заданным внешним воздействиям,
-
исследование влияния инерционной массы и геометрических параметров конструкции ЧЭ датчика на его динамические характеристики,
-
определение рациональных параметров датчика на основе полученных динамических характеристик.
Научная новизна работа В работе впервые создана методика и программы для расчета динамических характеристик пьозоплоктричіт ких акселерометров на основе теории .члоктроупругости. Различными численными методами впервые исследованы основные динамические характеристики конструкций ЧЭ пьезоаксслоромотрои. Оперные исслі.-до ваны основные закономерности процессов преобразования сигналов в пьезоакселерометрах в динамических режимах работы. Получены зависимости этих характеристик от проектных параметров, которые позволяют проектировать ЧЭ с заданными качостпами. ГапраГютан комплекс программ автоматизированного построения двумерных сечений областей работоспособности, с помощью которых по заданным ограничениям на динамические характеристики можно находить рациональные значения проектных параметров конструкции.
Практическая значимость работы заключается в создании методики расчета и проектирования ЧЭ пьезоэлектрического акселерометра низкой частоты по заданным динамическим характеристикам. На основе разработанной методики создано программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее исследовать динамические характеристики ЧЭ пьезоэлектрических акселерометров на этапе проектирования и исходя из этого исследования выбирать рациональные значения проектных параметров. Разработанные программы могут быть использованы в качестве элементов систем автоматизированного проектирования при разработке и совершенствовании различных типов пьезоэлектрических акселерометров. Основные результаты доведены до уровня, позволяющего непосредственно применять их в практике проектирования.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, обусловлена корректным использованием фундаментальных положений математики и механики сплошных сред, подтверждена оценками сходимости и точности на тестовых примерах, хорошим совпадением результатов с аналогичными результатами других авторов и совпадением с результатами экспериментального исследования.
Лппробация работы. Основные положения и результаты рлгюти докладывались на заседаниях научно-технического совета ИМАШ РАН в 1990. 1904. 1995 гг., на научном семинаре "Датчики - 92" (Каунас. КТУ, іУУіі), на XI симпозиуме "Динамика виброударных систем" (Москва, 19951, на семинаре кафедры "Динамика и прочность машин" Московского Энергетического Института (ТУ) в 1996 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы три и принята к опубликованию одна печатная работа.
Структура диссертации, диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, включающих 172 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 115 наименований.
Похожие диссертации на Расчет динамических характеристик чувствительных элементов пьезоэлектрических акселерометров
