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 массI.

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 2006 г., 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.

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.