Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизация производственных процессов неуклонно ведет к росту технических требований к первичным измерительным приборам, переключателям, распределителям и т. д., которые являются неотъемлемой частью систем управления (СУ). Ответствешгую роль в датчиках, микросенсорах и коммутационных устройствах этих систем выполняют тонкостенные упругие чувствительные элементы (пластины, мембраны, пружины, и т. д.), воспринимающие измеряемую величину. Такие важные характеристики микросенсоров и мапштоуправляемых контактов как быстродействие, механическая устойчивость и вибропрочность обеспечиваются именно качеством упругих подвижных звеньев.
Упругие чувствительные элементы (УЧЭ) нашли применение в широком спектре деятельности человека. УЧЭ используются в промышленных и автомобильных датчиках, датчиках охранной сигнализации, в измерительной аппаратуре, реле. В современных иностранных автомобилях так, например, только датчиков на герконах используется от 10 до 40 штук. Ряд особенностей УЧЭ делают их незаменимыми во многих областях техники. Герконовое реле по совокупности положительных свойств и рентабельности часто превосходят полупроводниковые аналоги, которые еще десять лет назад занимали лидирующие позиции в приборостроении. В настоящее время в связи с развитием высоких технологий в ряде отраслей наблюдается обратный переход от полупроводниковых устройств к устройствам на герконах. Прогресс в области микроэлектроники и материаловедения привел к созданию малогабаритных и дешевых микромеханических устройств, выполненных с использованием современных высокоточных технологий. Использование таких приборов для измерения динамики подвижных объектов ознаменовало революционные изменения в инерциальной технике. Рост требований к первичным преобразователям, к их метрологическим характеристикам и показателям надежности, делает актуальным решение проблемы повышения качества УЧЭ. Эти требования обусловили развитие расчетных и экспериментальных методов, которые изменили общую методологию проектирования новых типов датчиков и коммутационных устройств.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям методов расчета УЧЭ посвящено много основополагающих работ наших соотечественников: Попова Е.П. (развил теорию Эйлера для плоских пружин), Тимошенко СБ. (теория оболочек), Вольмира А.С. (методы расчета тонкостенных авиаконструкций), Андреевой А.Н. (расчет манометрических трубок, мембран, сильфо-нов), Пелеха Б.Л. (теория многослойных оболочек), Корсунова В.П. (расчет витых пружин и мембран), Пановко Я.Г. (колебания упругих систем), а также работы Диковского Я.М., Анфилофьева А.В., Буля Б.К., Харазова К.И., Беккера Я.М., Распопова В.Я., Бидермана В.Л., Рябова А.Ф., Немировского Ю.В., Александрова А.Я., Болотина В.В., Губанова Н.Н., Сипетова B.C.,
Григолюка Э.И., Куликова Г.М., Соколовского И.И., Жуковского Н.Е., Власова В.В., Типунова В.Г., Ржаницина А.Р., Роголевича В.В.
На сегодняшний день существует много различных методов расчета статики и динамики плоских УЧЭ, но не существует ни одного простого, универсального и автоматизированного метода расчета параметров этих элементов. Поэтому необходимо обратить внимание на' создание альтернативных вариантов расчета, некое объединение различных численных методов в одном алгоритме, с целью использования их преимуществ и компенсации слабых сторон. Следовательно, дальнейшее развитие датчиков, микросенсоров и коммутационных устройств СУ, содержащих УЧЭ, связано с созданием автоматизированной системы расчета и проектирования УЧЭ, базирующейся на современных машинно-ориентированных методах расчета. Решению этих задач посвящается данная диссертационная работа, что делает ее актуальной.
Цель диссертационной работы является исследование и анализ динамики плоских УЧЭ в датчиках СУ. Разработка алгоритма расчета характеристик замыкающего симметричного геркона. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
анализ традиционных и новых типов плоских УЧЭ в измерительных приборах и коммутационных устройствах СУ;
классификация основных типов плоских УЧЭ в измерительных приборах и коммутационных устройствах СУ;
исследование основных рабочих характеристик плоских упругих чувствительных элементов датчиков;
решение дифференциальных уравнений динамики плоских УЧЭ и определение амплитудных функций;
анализ влияния конструктивных особенностей ртутносмачиваемого геркона на присоединенную массу УЧЭ;
исследование влияния присоединенных масс плоских УЧЭ на коэффициенты их уравнений динамики;
разработка математических моделей (ММ) присоединенных масс плоских УЧЭ ртутносмачиваемых герконов;
построение уточненной ММ аналитического выражения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с учетом новой модели присоединенных масс плоского УЧЭ ртутносмачиваемого геркона;
разработка алгоритма вычисления геометрических параметров замыкающего симметричного геркона для написания инженерного программного обеспечения.
Методы исследования. Полученные в диссертации результаты основаны на системном подходе к рассматриваемой проблеме. Они базируются на традиционных численных методах анализа тонкостенных структур. Для построения ММ присоединенных масс применеїш методы сечений,
электромеханических аналогий. При расчете АЧХ УЧЭ применен метод половинного деления.
Научная новизна работы:
Осуществлена расширенная классификация плоских УЧЭ датчиков СУ;
Сформирована трёхуровневая иерархическая структура взаимосвязи параметров датчиков с показателями надёжности УЧЭ;
Предложены ММ динамики УЧЭ балочных акселерометров с жидкостным демпфером без внутренней обратной связи и ртутносмачиваемых герконов с учетом влияния их конструктивных особенностей;
Осуществлен вывод и построение уточненного аналитического выражения АЧХ УЧЭ ртутносмачиваемого геркона с использованием ПК;
Предложен алгоритм расчета геометрических параметров плоских УЧЭ замыкающего симметричного геркона для написания программного инженерного продукта, позволяющий решать задачи выбора оптимального по характеристикам чувствительного элемента датчика СУ на стадии проектирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель присоединенных масс плоского УЧЭ;
Математическая модель динамики плоских УЧЭ с учетом влияния разработанной модели присоединенных масс;
Универсальный алгоритм расчета геометрических параметров замыкающего симметричного геркона.
Практическая значимость и реализация научных результатов.
Результаты, полученные в работе, обеспечиваются строгостью постановок задач и применяемых математических методов, контролем сходимости приближенных решений и аналитических сравнений, где это возможно, с экспериментальными данными и результатами других авторов. Разработаны алгоритмы для построения АЧХ и расчета геометрических параметров плоских УЧЭ систем управления, обеспечивающие:
высокую степень приближения к экспериментальным данным плоских УЧЭ датчиков и коммутационных устройств;
уменьшение трудоемкости расчетов на стадии проектирования датчиков СУ.
Результаты диссертационной работы использованы в СПб ИЗМИР АН им. Н.В. Пушкова, в учебном процессе СПбГУ ИТМО на кафедре проектирования компьютерных систем. Результаты работы рассчитаны на широкий круг специалистов и позволяют осуществлять оптимизацию проектирования и производства УЧЭ датчиков СУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на П-ой Конференции молодых ученых, на Ш-ей Межвузовской конференции молодых учёных, на научно-технической конференции ЛТА 2005 года, а также на Международной конференции ШЕЕ AIS 2006. Полученные результаты нашли свое развитие в отчетных материалах по
персональному гранту для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов ВУЗов Министерства образования Российской Федерации в 2006г., шифрМ06-3.5К-115.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 60 наименований, 2 приложений, изложена на 132 страницах, содержит 30 рисунков и 11 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
