Розвиток теоретичних засад та принципів побудови тензорезистивних сенсорів тиску нестаціонарних середовищ

Abstract

У дисертації вирішено актуальну науково-технічну проблему - вимірювання нестаціонарного тиску в реальному масштабі часу при дії змінної температури. На основі проведеного дослідження розвинені теоретичні засади та принципи побудови тензорезистивних сенсорів нестаціонарних середовищ, а саме - розроблені нові методи вимірювання нестаціонарного тиску в реальному часі: метод сумісного вимірювання та метод диференціювання вихідного сигналу з використанням теорії вейвлет-перетворення. Також розроблені швидкодіючі і високоточні методи вимірювання тиску при нестаціонарному термовпливі - метод контролювання термодеформації, метод термопружної перехідної характеристики та метод парних мембран. Для реалізації методів створені принципові конструкції сенсорів та розроблені теоретичні засади їхньої побудови. Розроблені методи та сенсори дозволяють здійснювати вимірювання в реальному часі з похибкою в межах статичної. На підставі проведеного дослідження дістали розвиток теоретичні основи оптимізування пружних елементів, що стало підставою уніфікації конструкційних елементів сенсорів та дозволило підвищити їхню точність і розширити діапазон їхнього застосування для нестаціонарних середовищ. Проведені експериментальні дослідження підтвердити правильність теоретичних розробок, працездатність розроблених методів вимірювань та відповідних сенсорів. В диссертации решено актуальную научно-техническую проблему - измерение нестационарного давления в реальном масштабе времени при действии переменной температуры. На основе анализа особенностей измерения нестационарного давления в современных быстродействующих системах, а также на основе анализа характеристик и особенностей существующих типов тензорезистивных сенсоров давления выделен класс базовых задач для решения проблемы измерения нестационарного давления в реальном масштабе времени в условиях переменной температуры. В диссертации, на основе исследования динамики упругих элементов построены динамические модели тензорезистивных сенсоров давления в виде интегральных уравнений, что позволило получить решение обратной задачи измерения и на его базе разработать новые методы измерения нестационарного давления в реальном времени, а именно: метод совместного измерения на основе предложенного измерительного принципа реализации решения обратной задачи и метод дифференцирования выходного сигнала с использованием теории вейвлет-преобразования, где в роли базисных функций предложено избирать модифицированные импульсные переходные функции сенсоров. Для реализации методов измерения разработаны принципиальные конструкции тензорезистивных сенсоров и разработаны теоретические основы их построения. Разработанные методы и сенсоры позволяют осуществлять измерения в реальном времени с погрешностью в пределах статической. Исследованы термомеханические процессы в упругих и конструкционных элементах сенсоров давления при нестационарной температуре, проанализировано влияние этих процессов на измерительное преобразование, введено понятие температурной переходной характеристики сенсора давления, что в целом позволило разработать быстродействующие и высокоточные методы измерения давления при нестационарном термовлиянии. А именно: метод контроля термодеформации, который заключается в быстродействующей корректировке выходного сигнала сенсора в зависимости от термонапряженния и термодеформации его мембраны, метод температурной переходной характеристики, который заключается в корректировке выходного сигнала сенсора в зависимости от температурной погрешности определяемую через переходную термоупругую характеристику сенсора и метод парных мембран, который заключается в определении действительного значения измеряемого давления исходя из разницы термонапряжений в двух идентичных мембранах с различными коэффициентами температурного расширения, что в целом позволило достичь быстродействия измерения соизмеримого со скоростью термовплияний и обеспечить уменьшение температурной погрешности до уровня статической. Получили развитие теоретические основы оптимизации упругих элементов, включающие: оптимизацию формы элементов с целью уменьшения термонапряжений на основании предложенного принципа линеаризации температурного поля в элементах; оптимизацию параметров системы упругих элементов с целью линеаризации их статической характеристики на основе предложенного принципа совмещения деформаций, что обеспечивает получение динамической модели сенсоров в форме интегральных уравнений; оптимизацию параметров упругих элементов с целью минимизации инструментальной погрешности динамических характеристик сенсоров на основании полученных импульсных переходных функций, что стало основой унификации конструкционных элементов сенсоров, позволило повысить точность сенсоров и расширить диапазон их применения для нестационарных сред. Предложена методика экспериментальных исследований, которая предполагает создание одновременного воздействия нестационарного давления и температуры, при этом предложенная зависимость, которая позволяет определить оптимальную длительность фронта удара давления тестового сигнала. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретических разработок, эффективность разработанных методов измерений и соответствующих сенсоров. The dissertation is devoted to solving the actual scientific and technical problem - measuring of nonstationary pressure in real time at nonstationary temperature. Due to our studies the theoretical framework to create piezoresistive sensors for nonstationary conditions was developed. It includes the development of such new methods as measuring of unsteady pressure in real-time: method of measuring and compatible method to differentiate the output signal using the theory of wavelet transform. There were also developed high-speed and high-precision methods to measure nonstationary pressure at thermoinfluence, namely, thermostrain control method, the method of transient thermoelastic characteristics and method of paired membranes. To realize the proposed methods the structural scheme of sensors and theoretical principles of their construction were developed. These methods and sensors allow to realize the real-time measurements with the accuracy within static error. On the basis of these studies theoretical foundations of sensors elastic elements designing were developed that gives the possibility to unificate the structural elements and sensors, thus improving their accuracy and extend the range of their application at nonstationary environments. Experimental studies have confirmed the correctness of the theoretical developments, performance of the developed measurement methods and appropriate sensors.