Modeling of Electromechanical Characteristics of Piezoresonance Pressure Sensors with Membrane Control of the Interelectrode Gap of a Piezoelectric Element
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Modeling of Electromechanical Characteristics of Piezoresonance Pressure Sensors with Membrane Control of the Interelectrode Gap of a Piezoelectric Element
Моделирование электромеханических характеристик пьезорезонансных датчиков избыточного давления с мембранным управлением межэлектродным зазором пьезоэлемента Моделювання електромеханічних характеристик п’єзорезонансних сенсорів надлишкового тиску з мембранним керуванням міжелектродним зазором п’єзоелемента |
|
| Creator |
Taranchuk, A. A.
Pidchenko, S. K. Zhyznevskyi, A. I. |
|
| Description |
The paper considers the issues of increasing the simulation accuracy of perspective piezoresonance overpressure sensors with membrane control of the piezoelectric element interelectrode gap. A comparative analysis of elastic membrane elements characteristics made of alloys two different types, calculated by the existing methods for flat and corrugated membranes, and obtained by simulation in the COMSOL Multiphysics system is carried out. It is shown that the existing analytical methods for calculating membrane elements are of an approximate nature and allow only rough estimates to be obtained, since they do not take into account all the structural features of the elastic elements and are adapted to the experimental designs of sensors with a specific geometry. The elastic characteristics of the measuring diaphragm of pressure sensors with a variable interelectrode gap of excitation are calculated. The capacitance of the interelectrode gap of the membrane pressure sensor is determined. Numerical simulation of the stressed-deformed state of the corrugated membrane in the COMSOL Multiphysics software package was carried out. The operating characteristics of the piezoresonance sensor of excess pressure with variable inter electrode gap of excitation are studied. The developed three-dimensional model of the sensor of excessive pressure for medical applications makes it possible to significantly improve the accuracy of characteristics calculations of the stress-strain state of elements during their micro-displacements, remove the limitations on the structural features of the membrane and its attachment methods, and significantly shorten the time and costs for developing measuring transducers. The obtained results provide ample opportunities to optimize the design of the sensor, improve its accuracy and reduce the impact on it of destabilizing environmental factors.
В работе рассматриваются вопросы повышения точности моделирования перспективных пьезорезонансных датчиков избыточного давления с мембранным управлением межэлектродным зазором пьезоэлемента. Проведен сравнительный анализ характеристик упругих мембранных элементов, изготовленных из сплавов двух разных типов, рассчитанных известными методами для плоских и гофрированных мембран, и полученных путем имитационного моделирования в системе COMSOL Multiphysics. Показано, что существующие аналитические методы расчета мембранных элементов носят приближенный характер и позволяют получить только достаточно грубые оценки, поскольку не учитывают все конструктивные особенности упругих элементов и адаптированы под экспериментальные конструкции датчиков с конкретной геометрией. Разработанная трёхмерная модель датчика избыточного давления для медицинских применений позволяет существенно повысить точность расчетов характеристик напряженно-деформированного состояния элементов при их микроперемещениях, снять ограничения на конструктивные особенности мембраны и способы ее крепления, существенно сократить сроки и затраты на разработку измерительных преобразователей. Полученные результаты предоставляют широкие возможности по оптимизации конструкции датчика, повышению его точностных характеристик и уменьшения воздействий на него дестабилизирующих факторов окружающей среды. У роботі розглядаються питання підвищення точності моделювання перспективних п’єзорезонансних сенсорів надлишкового тиску з мембранним керуванням міжелектродним зазором п’єзоелемента. Проведений порівняльний аналіз характеристик пружних мембранних елементів, виготовлених зі сплавів двох різних типів, які розраховані за існуючими методами для плоских і гофрованих мембран, та отриманих шляхом імітаційного моделювання в системі COMSOL Multiphysics. Показано, що існуючі аналітичні методи розрахунку мембранних елементів носять наближений характер і дозволяють отримати тільки достатньо грубі оцінки, оскільки не враховують усі конструктивні особливості пружних елементів та адаптовані під експериментальні конструкції сенсорів з конкретною геометрією. Розроблена тривимірна модель сенсора надлишкового тиску для медичних застосувань дозволяє істотно підвищити точність розрахунків характеристик напружено-деформованого стану елементів при їхніх мікропереміщеннях, зняти обмеження на конструктивні особливості мембрани та способи її кріплення, суттєво скоротити терміни й витрати на розробку вимірювальних перетворювачів. Отримані результати надають широкі можливості щодо оптимізації конструкції сенсора, підвищення його точностних характеристик та зменшення на нього впливів дестабілізуючих факторів зовнішнього середовища. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2018-09-30
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1502
10.20535/RADAP.2018.74.51-59 |
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 74 (2018); 51-59
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 74 (2018); 51-59 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 74 (2018); 51-59 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
ukr
|
|
| Relation |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1502/1349
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2018 Таранчук А.А., Підченко С.К, Жизневський А.І.
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|