Two-Parameter Measuring Transducers with Ratiometric Output Based on composite Piezoelectric Transformers

УДК 535.3:621.317.2

  • Viktor N. Sedalishchev Altai State University, Barnaul, Russia Email: sedalischew@mail.ru
  • Roman V. Kraev Altai State University, Barnaul, Russia Email: kraev.roma1020@ya.ru
  • Alexey V. Seulekov Altai State University, Barnaul, Russia Email: seulekov@mail.asu.ru
  • Sergey V. Umbetov Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia Email: eva_09@inbox.ru
Keywords: vibration type sensor, ratiometric output, composite piezoelectric transformer, coupled oscillations, degree of freedom, viscosity, density

Abstract

The study presents the results of a com-parative analysis of the metrological characteristics related to the various construction options for two-parameter measuring piezoelectric transducers with a ratiometric output. The research is carried out using simulation modeling methods. Structurally, the measuring transducer is a composite piezoelectric transformer with two degrees of freedom. The sensitive element of the transducer can be a vibrator or a coupling element between resonators. When changing the parameters of the sensing element, there is a redistribution of vibrational energy across the degrees of freedom, depending on the nature of interactions and the level of coupling in the system, the goodness of the resonators, and the degree of their natural frequencies detuning. The output signal is generated using the ratio of output voltages of two piezoelectric transformers excited at the same frequency or the ratio of output voltages from one piezoelectric transformer alternately excited at two different frequencies. Specific coupled oscillation modes in the system allow implementing the adjustable necessary sensitivity mechanism for a sensor. Appropriate methods of generating the sensor output 

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Viktor N. Sedalishchev, Altai State University, Barnaul, Russia

Doctor of Sciences in Technology, Professor, Professor of the Department of Computing Techniques and Electronics

Roman V. Kraev, Altai State University, Barnaul, Russia

Postgraduate Student of the Department of Radio Physics and Theoretical Physics

Alexey V. Seulekov, Altai State University, Barnaul, Russia

Lecturer, Department of Computing Techniques and Electronics

Sergey V. Umbetov, Polzunov Altai State Technical University, Barnaul, Russia

Associate Professor of the Department of Information Systems in Economics

References

Шарапов В.М., Минаев И.Г., Сотула Ж.В. и др. Пьезокерамические трансформаторы и датчики. Черкасы: Вертикаль. 2010. 278 с.

Низаметдинов А.М. Измерение добротности и собственной частоты колебательной системы вибровискозиме-трического датчика. // Датчики и системы. 2016. № 10. С. 15-20.

Heinisch M., Voglhuber-Brunnmaier Т., Reichel E. K. et al. Reduced Order Models for Resonant Viscosity and Mass Density Sensors // Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Vol. 220. P. 76-84. DOI: 10.1016/j.sna.2014.09.006

Hadidi S., Hassanzadeh A., A Novel Self-Powered, High-Sensitivity Piezoelectric Vibration Sensor Based on Piezoelectric Combo Effect // IEEE Sensors Journal. 2023. Vol. 23. No 21. P. 25797-25803. DOI: 10.1109/JSEN.2023.3317445

Lee C. K., Hsu Y. H., Hsiao W. H. et al. Electrical and Mechanical Field Interactions of Piezoelectric Systems: Foundation of Smart Structures-Based Piezoelectric Sensors and Actuators, and Free-Fall Sensors // Smart Materials and Structures. 2004. Vol. 13. No 5. P 1090. DOI: 10.1088/0964-1726/13/5/015

Соломин Б.А., Низаметдинов А.М., Черторийский А.А. и др. Миниатюрный вибровискозиметрический датчик повышенной чувствительности и быстродействия // Датчики и системы. 2015. № 7. С. 35-39.

Spletzer M., Raman A., Wu A. Q. et al. Ultrasensitive Mass Sensing Using Mode Localization in Coupled Microcantilevers // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88. No 25. P. 254102-1254102-3. DOI: 10.1063/1.2216889

Янчич В.В., Панич А.Е., Янчич Вл.В. О возможности реализации интегрированных многофункциональных преобразователей пьезоэлектрических датчиков физических величин // VII Междунар. науч.-технич. конф. «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий» : сб. тр. Ростов-н/Д.: Изд-во ЮФУ 2010. С. 129-132.

Янчич В.В., Панич А.Е., Янчич Вл.В. Перспективы применения интегрированных многофункциональных преобразователей в пьезоэлектрических датчиках механических величин // Инженерный вестник Дона. 2010. № 3 (13). С. 172-174.

Янчич В.В., Янчич Вл.В. Преобразователи пьезоэлектрических датчиков механических величин (конструкции и пути развития). Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing. 2013. 142 с.

Янчич В.В., Панич А.Е. Управление характеристиками пьезоэлектрических датчиков с интегрированными многофункциональными преобразователями // Матер. V Междунар. конф. «Геоинформационные технологии и космический мониторинг». Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2012. С. 329-334.

Янчич Вл.В., Панич А.Е. Двухпараметровый пьезоэлектрический преобразователь // Междунар. молодежная научн. конф. «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» : сб. тр. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2013. С. 179-180.

Митько В.Н., Крамаров Ю.А., Панич А.А. Математическое моделирование физических процессов в пьезоэлектрическом приборостроении : монография. Пьезоэлектрическое приборостроение. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2009. Т. 6. 240 с.

Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. Пьезоэлектрическое приборостроение : сб. в 3 т. Т. 3. Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006. 346 с.

Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006. 632 с.

Седалищев В.Н. Пьезотрансформаторные измерительные преобразователи : монография. Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2015. 167 с.

SedalischevV.N., Sergeeva Ia.S., Simulation Of Measuring Transducers Based On Interconnected Piezoresonators // X International Conference on High-Performance Computing Systems and Technologies in Scientific Research, Automation of Control and Production (HPCST) 2020. Barnaul, 24-25 April 2020. / IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1615. Article: 012030. DOI: 10.1088/17426596/1615/1/012030

Sedalishchev V.N., Sergeeva Ia.S., Strahatov D.O. Simulation Modeling of Composite Piezotransformer Measuring Transducer with Differential Output // XI International Conference on High-Performance Computing Systems and Technologies in Scientific Research, Automation of Control and Production (HPCST) 2021. Barnaul, 21-22 May 2021. / IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2142, Article: 012018. DOI: 10.1088/1742-6596/2142/ 1/012018

Published
2025-09-15
How to Cite
Sedalishchev V. N., Kraev R. V., Seulekov A. V., Umbetov S. V. Two-Parameter Measuring Transducers with Ratiometric Output Based on composite Piezoelectric Transformers // Izvestiya of Altai State University, 2025, № 4(144). P. 33-39 DOI: 10.14258/izvasu(2025)4-04. URL: https://izvestiya.asu.ru/article/view/%282025%294-04.