Динамика упругих чувствительных элементов датчиков систем управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Кокшаров, Дмитрий Николаевич

• Кокшаров, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кокшаров, Дмитрий Николаевич

Оглавление.

Введение.

ГЛАВА I. Анализ возможностей применения и перспектив развития упругих чувствительных элементов датчиков систем управления.

1.1 Обзор традиционных и новых типов измерительных приборов и коммутационных устройств систем управления с плоскими упругими чувствительными элементами.

1.2 Классификация основных типов плоских упругих чувствительных элементов.

1.3 Основные рабочие характеристики упругих чувствительных элементов.

1.3.1 Упругая характеристика, жесткость, чувствительность.

1.3.2 Перестановочные усилия и эффективная площадь.

1.3.3 Погрешности упругих чувствительных элементов.

1.3.4 Прочность, надежность и коэффициент запаса упругих чувствительных элементов.

1.4 Анализ эксплуатационных свойств упругих чувствительных элементов с регулярным микрорельефом.

1.5 Специальные требования к материалам упругих чувствительных элементов.

1.6 Выводы.

Глава II. Исследование и построение математических моделей динамики плоских упругих чувствительных элементов устройств автоматики.

2.1 Обзор методов анализа механических колебаний плоских упругих чувствительных элементов.

2.2 Исследование уравнений динамики плоских упругих чувствительных элементов.

2.2.1 Математическая модель динамики упругих чувствительных элементов акселерометров.

2.2.2 Математическая модель динамики упругих чувствительных элементов вакуумных герконов.

2.2.3 Построение математической модели динамики упругих чувствительных элементов газонаполненных и ртутных герконов с применением Абелевых функций.

2.2.4 Построение аналитического выражения амплитудно-частотных характеристик газонаполненных и ртутных герконов.

2.3 Выводы.

Глава III. Разработка математических моделей присоединенных масс жидкости при упругих колебаниях плоских чувствительных элементов.

3.1 Присоединенные массы и присоединенные моменты инерции упругих чувствительных элементов.

3.2 Математическая модель присоединенной массы контактных сердечников с учетом влияния заделки в баллоне геркона.

3.3 Математическая модель присоединенной массы колеблющихся пластин с учетом влияния близости твердых стенок.

3.4 Математическая модель присоединенных масс консольных пластин

3.5 Математическая модель присоединенных масс с учетом влияния отрыва жидкости от поверхности контакт-детали.

3.6 Разработка математической модели динамики ртутных герконов с уточненной моделью присоединенных масс.

3.7 Выводы.

ГЛАВА IV. Применение компьютерных средств обработки параметров упругих чувствительных элементов газонаполненных и ртутных герконов

4.1 Построение амплитудно-частотных характеристик упругих чувствительных элементов датчиков систем управления компьютерными методами.

4.2 Применение компьютерных средств для расчета параметров замыкающего симметричного геркона.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика упругих чувствительных элементов датчиков систем управления»

Актуальность проблемы.

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). Ответственную 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 магнитоуправляемых 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 [1]. 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 современной высокоточной технологии. Использование таких приборов для измерения динамики подвижных объектов ознаменовало революционные изменения в инерциальной технике [2].

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 С.Б. (теория оболочек), Вольмира А.С. (методы расчета тонкостенных авиаконструкций), Андреевой А.Н. (расчет манометрических трубок, мембран, силь-фонов), 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 B.JL, 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 и в то же время универсального метода расчета статики и динамики 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 [3], микросенсоров и коммутационных устройств систем управления, содержащих УЧЭ, связано с созданием единой методологии проектирования

УЧЭ, базирующейся на современных методах расчета. Решению этих задач посвящается данная диссертационная работа,что делает ее актуальной.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и анализ параметров напряженно-деформированного состояния УЧЭ в датчиках СУ. Разработка методологии расчета характеристик замыкающего симметричного геркона. Написании инженерного програмного обеспечения для расчета характеристик замыкающего симметричного геркона. Для достижения поставленной цели будут решены следующие основные задачи: -анализ традиционных и новых типов измерительных приборов и коммутационных устройств СУ с плоскими УЧЭ; -классификация основных типов плоских УЧЭ; -исследование основных рабочих характеристик плоских УЧЭ датчиков;

-исследование и построение математических моделей плоских УЧЭ устройств автоматики; -исследование влияния присоединенных масс УЧЭ на коэффициенты их уравнений динамики; -разработка алгоритма расчета геометрических параметров плоских

УЧЭ датчиков СУ; -разработка инженерного программного обеспечения расчета геометрических параметров плоских УЧЭ датчиков СУ.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Математическая модель присоединенных масс плоского УЧЭ;

2. Математическая модель динамики плоских УЧЭ с учетом влияния разработанной модели присоединенных масс; I

3. Универсальный алгоритм расчета геометрических параметров замыкающего симметричного геркона.

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 применены методы сечений, электромеханических аналогий. При расчете АЧХ УЧЭ применен метод половинного деления.

Научная новизна.

1. Осуществлена расширенная классификация плоских УЧЭ датчиков СУ;

2. Сформирована трехуровневая иерархическая структура взаимосвязи параметров датчиков с показателями надежности УЧЭ;

3. Предложены ММ динамики УЧЭ балочных акселерометров с жидкостным демпфером без внутренней обратной связи и ртутносмачиваемых герконов с учетом влияния их конструктивных особенностей;

4. Осуществлен вывод и построение уточненного аналитического выражения АЧХ УЧЭ ртутносмачиваемого геркона с использованием пресонального компьютера (ПК);

5. 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.

Практическая значимость и достоверность 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 СПбФ 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 11-ой Конференции молодых ученых, на Ш-ей Межвузовской конференции молодых ученых, на научно-технической конференции JITA 2005 года, а также на Международной конференции IEEE 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., шифр М06-3.5К-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.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Кокшаров, Дмитрий Николаевич

4.3 Выводы

1. Разработан алгоритм и написана программа автоматизированного расчета основных рабочих характеристик и геометрических параметров замыкающего симметричного геркона. Данная программа может использоваться при проектировании герконов указанного вида.

2. Разработан алгоритм построения математических моделей колебательных систем УЧЭ для исследования их частотных спектров.

3. Разработан пакет прикладных программ для визуализации полученных решений. Построенные выражения АЧХ плоских УЧЭ герконов, которые позволяют выявить влияние конструктивных параметров этих устройств на их динамические характеристики.

Заключение

Суммируя результаты, полученные в отдельных разделах работы, можно сказать, что цель диссертации, сформулированная во введении, а именно, разработка теоретических основ динамического расчета УЧЭ, создание алгоритмов и методов их проектирования - достигнута.

Диссертация охватывает все основные аспекты проблемы методологии проектирования УЧЭ: общую теорию и методы принятия проектных решений на этапе предварительного проектирования, системный подход к технологическим процессам как объектам автоматизации, методологические основы разработки ММ методами математической физики и теории упругости, организацию программного и информационного обеспечения, эффективные методы и алгоритмы анализа и оптимизации на всех этапах проектирования.

Предложенные алгоритмы, математические модели и проектные процедуры, обладающие универсальностью, компактностью, гибкостью и надежностью явились основой для создания соответствующего программно-алгоритмического обеспечения.

Рассмотрение общей задачи построения математической модели, алгоритмов динамического расчета УЧЭ привело к созданию эффективного аппарата, как при проектировании, так и при экспериментальном исследовании, позволяющего уменьшить влияние случайных факторов и открывающего новые пути для развития методов проектирования систем управления технологическим процессом производства УЧЭ, как соответствующей системы принятия и реализации решений в процессе функционирования.

Все полученные в работе результаты нашли практическое применение и составили теоретическую и методологическую базу для создания интегрированных технологических комплексов в точном приборостроении.

Промышленная эксплуатация разработанных алгоритмов, программ и систем подтвердила правильность теоретических методов, рассмотренных в диссертации и показала их высокую эффективность, обеспечивающую повышение производительности труда проектировщиков, технико-экономического уровня проектов, сокращение трудоемкости и повышение производительности труда в производстве.

В диссертационной работе получены следующие результаты :

1. Проведена расширенная классификация основных видов УЧЭ как элементов систем управления с учетом их назначения, типа, конструкции, материала и технологии изготовления;

2. Проанализированы основные рабочие характеристики УЧЭ (упругая характеристика, жесткость, чувствительность, точность, прочностная и метрологическая надежность и коэффициент запаса);

3. Сформирована трехуровневая иерархическая структура взаимосвязи параметров датчиков с показателями надежности УЧЭ;

4. Проведено теоретическое исследование существующих методов расчета и ММ динамики плоских УЧЭ герконов и других устройств СУ и измерительной техники с плоскими УЧЭ (в частности, акселерометров);

5. Выявлены актуальные проблемы теоретического и экспериментального анализа УЧЭ;

6. Сделан вывод об актуальности дальнейшего развития методов анализа динамики плоских УЧЭ, о необходимости разработки новых алгоритмов расчета рабочих характеристик УЧЭ и создании ММ динамики;

7. Выявлены условия развития эффекта антирезонанса в колебательных системах с УЧЭ в датчиках СУ;

8. Предложен подход к исследованию тонкостенных сложнопрофильных конструкций УЧЭ, основанный на применении теории Абелевых функций, позволяющий достичь наиболее корректного и адекватного аналитического описания, как самих УЧЭ, так и происходящих в них динамических процессов;

9. Осуществлен вывод нелинейного уравнения динамики плоских УЧЭ;

10. Выведены формулы для расчета АЧХ КС герконов и акселерометров;

11. Разработаны ММ для определения присоединенных масс и моментов инерции жидкости плоских КС герконов, позволяющие осуществлять надежное прогнозирование частотных характеристик УЧЭ при движении в вязкой среде. Моделирование проведено с учетом следующих факторов: вид среды, влияние твердых стенок, влияние отрыва жидкости от поверхности УЧЭ, ориентации УЧЭ в пространстве, показателей обтекаемости формы УЧЭ и конкретной геометрии УЧЭ. Исследовано влияние нелинейной составляющей жидкостного трения на частотные характеристики УЧЭ устройств автоматики;

12. Разработана ММ УЧЭ ртутносмачиваемого геркона с уточненной моделью присоединенной массы КС датчика для исследования частотных спектров

13. Разработан и реализован с помощью компьютерных средств алгоритм расчета основных геометрических параметров симметричных замыкающих герконов. Данный алгоритм может использоваться при проектировании герконов указанного вида.

Таким образом, полученные в диссертации результаты представляют собой теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение - создание теоретической и методологической базы расчета УЧЭ как элементов современных систем управления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кокшаров, Дмитрий Николаевич, 2007 год

1. Евстифеев М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов. Навигация и управление движением. Сборник докладов 2 научно-технической конференции молодых ученых. - СПб. - 2000. - с. 54 - 71.

2. Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. М.: Машиностроение. -1981.-с. 455.

3. Корсунов В.П. Упругие чувствительные элементы (статика, динамика, надежность). Издательство Саратовского университета. - Саратов. -1980.-с. 264.

4. Кокшаров Д.Н. Компьютерная техника и развитие упругих чувствительных элементов // Известия Санкт-Петербургской Государственной Лесотехнической Академии. Выпуск 174. СПб.: СПбГЛТА, 2005. - с. 153-155.

5. Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производства, направления развития, объемы рынка // Компоненты и технологии. 2002. №1. с. 52.

6. Гудинаф Ф. Интегральный акселерометр на 50 G с самоконтролем, реализованным на нагреваемом возбудителе // Электроника. 1993. - № 7-8.-с. 54-57.

7. Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микроструктур // Электроника. -1993.-№11-12.-с. 86-87.

8. Гудинаф Ф. Интегральный датчик ускорения для автомобильных надувных подушек безопасности // Электроника. 1991. - № 16. — с. 7— 14.

9. Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. -1998.

10. Серридж M., Лихт Т. P. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. «Брюль и Къер». - 1987.

11. Пономарев С.Д., Андреева JI.E. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение. - 1980. - с. 326.

12. Буль Б.К., Шоффа В.Н., Умеренков А.С. Электрические аппараты автоматики на герконах: Учебное пособие по курсу «Электромеханические аппараты автоматики». М.: МЗИ. - 1978. - с. 47.

13. Кашпар Ф. Термобиметаллы в электротехнике. М.: Госэнергоиздат. -1961.-с. 448.

14. Беседа А.И. Надежность упругих чувствительных элементов. В кн.: Приборы и средства автоматизации. - М.: ЦНИИТЭИ Приборостроения. -1968.-с. 14-17.

15. Гл. ред. д.т.н., профессор Н.В. Васильев. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. -с. 247-251.

16. Грилихес С.Я., Рахштадт А.Г., Рябышев A.M. и др. Термоэлектрохимическая обработка упругих элементов. М.: Машиностроение. - 1978. - с. 136.

17. Панасюк В.В. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. Киев: Наукова Думка. - 1977. - с. 277.

18. Феодосьев В.И. Упругие элементы точного приборостроения. М.: Оборнгиз. - 1949. - с. 344.

19. Шнейдер Ю.Г. Регуляризация мекрогеометрии поверхностей. -Л.:Знание, РСФСР, ЛО, ЛДНТП. 1991. - с. 240.

20. Ткалич B.JI. Разработка и исследование методов повышения надежности герконов и реле на их основе // Автореферат на соискание степени кандидата технических наук. СПб.: ЛИТМО. - 1994. - с. 20.

21. Ушаков И.А., Давыдов В.Г. О термоупругих напряжениях в спаях геркона. Межвузовский сборник научных трудов: «Герметезированные магнитоуправляемые контакты». Рязань: РРТИ. - 1982. - с. 141-147.

22. Иванова В.А. Внутреведение. ЯМР-томография. Ленинград: Знание. -1989.-с. 30.

23. Харазов К.И. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. М.: Энергоатомиздат. -1990.

24. Ткалич В.Л., Беккер Я.М. Учебное пособие по курсу Физические основы микроэлектроники: "Диагностика, контроль и прогнозирование надежности БИС" // СПб.: СПбГИТМО (ТУ). 1995. - с. 60.

25. Глудкин О.П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС. -М.:Высшая школа. -1991.-е. 336.

26. Ткалич В.Л., Беккер Я.М. Остаточные термомеханические напряжения в элементах ППЗУ // СПб.: Известия ВУЗов. Приборостроение. № 4. -1997.-с. 47-50.

27. Диковский Я.М. Исследование явления дребезга в измерительных магнитоуправляемых контактах. Тезисы докладов и сообщенийконференции по автоматическому контролю и методам электрических измерений. Новосибирск.: ЦБТИ. - с. 1963.

28. Дыкин В.И., Смиренский О.Г., Сенющенков М.А. Исследование динамики контактов герконов с использованием метода конечных элементов. Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции «Специальные коммутационные элементы». Гл.2. -1985.-с. 40-43.

29. Ткалич В.Л., Гвоздев С.С., Рыбакова НА. Определение коэффициентов матрицы масс нелинейного уравнения динамики сильфонных упругих элементов датчиков АСУ // Датчики и системы. № 10. - 2000. - с. 2628.

30. Волков В. А., Рыжаков В. В., Цапулин А. И. Исследование нелинейной составляющей жидкостного трения в измерительных устройствах // Приборы и системы управления. 1990. - №3. - с. 19-20.

31. Бидерман В.А. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. -М.: Высшая школа. 1980.

32. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. - 1979. - с. 384.

33. Ткалич В.Л., Михеева О.Д., Лобанцев А.В., Галин Ю.В. Анализ АЧХ измерительных устройств на основе плоских УЧЭ компьютерными методами // Депонирована во ВИНИТИ № 1330 В00. - 2000. - с. 8.

34. Ткалич В.Л., Степанова Н.Е. Статическая устойчивость контакт-детали геркона при воздействии на него сосредоточенных и распределенных нагрузок // Депонирована во ВИНИТИ № 1696 В00. - 2000. - с. 6.

35. Ахиезер Н. И. Элементы теории эллиптических функций. М.: Наука, Главное издательство физ.-мат. литературы. - 1970.

36. Харазов К. И. Электромагнитные устройсва авиационной электроавтоматики. Машиностроение. - 1984.

37. Авгученко Г. В., Паречин В. И., Кирин В. П. Исследование динамики колебательных процессов при разомкнутых контактов геркона // Всесоюзная научно-техническая конференция Специальные коммутационные элементы, тезисы докладов. Рязань. - 1985. - с. 2729.

38. Бидерман В. А. Механика тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение. - 1977. - с. 488.

39. Каудерер Г. Нелинейная механика. М.: Иностранная литература. -1961.

40. Курзнер А. Б., Ибрагимов И. X., Экспериментальное определение параметра модели акселерометра с нелинейным жидкостным демпфированием // Метрология. №1. - 1975. - с. 37—42.

41. Фабрикант Н. Я., Аэродинамика. М.: Наука. - 1964.

42. Бидерман В. А. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа. -1972.

43. Бабаев Н.Н. Исследование свободных колебаний прямоугольных пластин, соприкасающихся с водой. Труды ЦНИИ им. Акад. А.Н. Крылова. 1974. - вып. 16. - с. 1-42.

44. Короткин А.И. Присоединенные массы судна: Справочник // Ленинград: Судостроение. 1986. - с. 312.

45. Гайан Р. Приведение матрицы жесткости и массы // Ракетная техника и космонавтика. 1965. - т. 3. № 2. - с. 277-278.

46. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.:1. Машиностроение. -1975.

47. Ткалич В.Л. Упругие чувствительные элементы систем управления (Принципы построения, анализи математическое моделирование) // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -СПб.: ЛИТМО. 1994. - с. 359.

48. Волков Е.А. Численные методы. Учебное пособие. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. - 1982. - с. 256.

49. Коробков Ю.С. Расчет магнитоуправляемых контактов. М.: МЭИ, 1982.

50. Мнловзорова З.И. Электромагнитная техника в задачах, упражнениях и расчетах. М.: Высшая школа. - 1975.

51. Коробков Ю.С. Особенности устройства и работы магнитоуправляемых контактов. М.: МЭИ. - 1992.