ChSTU repository

Зміст 
 
Стор. 
Вступ…………………………………………………………………….…….4 
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного аналізу 
існуючих аналогів…………………………………………………………………….5 
2 Обґрунтування  технічного завдання……………………………….……12 
3 Розробка структурної та принципової схеми……………………………14 
4 Розрахунок основних параметрів……………………………………..….21 
4.1 Розрахунок п’єзоелектричного датчика …………………………..…..21 
4.2 Розрахунок рідкокристалічного елементу……………………….….…36 
4.3 Розрахунок динамічних характеристик вібраційної системи…..…….40 
4.4 Оцінка точності та надійності…………………………………………..48 
5 Спеціальний розділ………………………………………………………..52 
5.1 Технологічний розділ……………………………………………………52 
5.2 Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають у приміщенні 
електротехнічної лабораторії………………………………………………………..61 
5.3 Економічний розділ………………………………………….…………..74 
Висновки……………………………………………………………..………76 
Список літератури……………………………………………………..…….77 
Додаток А Відомість технічного проекту……………………………….…78 
Додаток Б Перелік нормативних документів ………………..…………….80 
Додаток В Специфікації, переліки елементів………………………………82 
Додаток Г Результати розрахунку надійності на ЕОМ………..…………..96 
Додаток Д Документація на технологічний процес виготовлення 
друкованої плати ……………………….………...................………………..……..98 
СКРС83.022.411.001ПЗ 
Изм. Лист № докум. Подп. Дата 
 Разраб. Дробот В.Г. Вимірювач віброприскорень з Лит. Лист Листов 
 Пров. Тичков В.В. оптоелектронним пристроєм 3 102 
  Пояснювальна записка 
 Н. Контр. Тичков В.В. ЧДТУ  
 Утв.  
Вступ 
 
Вимірювач віброприскорень з оптоелектронним пристроєм, призначений 
для вимірювання віброприскорення в діапазоні низькочастотних коливань. 
В теперішній час все частіше зустрічається необхідність в дослідженні і 
вимірюванні вібрації та інших механічних коливань, що містять дуже 
низькочастотні складові: від нуля до одиниць Герц. Такі інфранизькочастотні 
коливання характерні для великих будівельних споруд, складних механізмів 
різноманітного призначення, а також спостерігаються при моделюванні катастроф 
засобів транспорту та медико-біологічних дослідженнях.  
Проведення досліджень в області таких низьких частот має свої 
особливості, що ускладнюють використання технічних засобів віброметрії, що 
використовуються при більш високих частотах. Найбільше розповсюдження при 
вимірюванні інфранизькочастотних коливань є тензорезистивні системи. Проте 
тензорезистивні датчики поступаються п’єзоелектричним майже по всім 
параметрам. Разом з тим для вирішення задач в області інфранизьких частот 
п’єзоелектричні датчики мають обмежене використання, так як похибка 
вимірювання датчиків різко збільшується по мірі наближення коливань до 
інфранизькочастотної області. Проте раціональним вибором схеми можна 
розширити частотний діапазон вимірюваних віброприскорень в область досить 
низьких частот, порядку 0,1 Гц. Таким чином задачею даного дипломного проекту 
є розробка схеми включення п’єзоелектричного датчика, що дозволить 
використовувати акселерометр в діапазоні частот віброприскорення від 0,1 до 20 
Гц. 
 
Лист 
 СКРС83.022.411.001ПЗ 
Изм. Лист № докум. Подп. Дата  4  
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного 
аналізу існуючих аналогів 
 
Виконання вимірювань в області інфранизькочастотних коливань має деякі 
особливості, що затрудняють використання відомих методів і технічних засобів 
віброметрії, розроблених для більш високих частот. Доцільно розглянути ці 
перепони і визначити шляхи їх подолання. До датчиків, як відомо, предявляють 
багато різнопланових вимог. Саме основне – це задоволення вимог практики. До 
них відносять: високу надійність та перешкодозахищеність, відсутність високої 
напруги і значних струмів в схемі, мінімальність габаритних розмірів, простота та 
технологічність конструкції. Таким вимогам найбільш повно і найкраще 
задовольняють п’єзоелектричні датчики, що отримали найбільший розвиток і 
розповсюдження. Разом з тим для частот датчики мають обмежене використання, 
так як вони перестають правильно функціонувати по мірі наближення до частоти 
реєструємих коливань до 0 Гц.  
Можливо використання п’єзорезонансних систем з частотною модуляцією 
автоколивань зрозуміло, що такі якості, як простота, надійність виявляються 
неможливими. 
Із інших добре працюючих систем необхідно назвати датчики з 
індуктивними і ємнісним перетворювачами на несучій частоті, з підключенням в 
міст змінного струму. регулювання і настройки великої кількості каналів робить 
ці системи незручними в експлуатації. 
Аналогічні недоліки характерні для ще декількох систем перетворювачів, 
наприклад п’єзооптичних, тензорезонансних заснованих на ефекті Холла. До того 
ж ці та деякі інші системи недостатньо опрацьовані і значного розвитку не 
отримали. 
При великих амплітудах добрі показники мають потенціометричні 
системи. Проте у випадку низькочастотних акселерометрів амплітуди незначні , 
так що ці позитивні якості не реалізуються. незадовільні показники, особливо у 
відношенні порогу чутливості і дозвільної здатності. 
 
5 
Значно покращеними точністними характеристиками відрізняються 
достатньо складні низькочастотні акселерометри з охватом системи 
електромеханічним зворотнім звязком. Такі прецизійні акселерометри мають 
широке розповсюдження для вирішення задач інерціальної навігації.[24]. Проте 
для віброметрії використання таких акселерометрі недоцільно. При майже 
статичному режимі практиці хемотронні  та інші системи з рідинами не отримали. 
Основною причиною цього є можливість попадання рідини на відповідальні 
деталі при порушенні цілостності і розгерметизації датчика.  
На сьогоднішній день розповсюдженими є тензорезистивні системи на 
основі всім параметрам, але дозволяє досягти нижньої границі частотного 
діапазону. Вони допускають мініатюризацію, мають незначну температурні 
похибку в діапазоні температур від мінус 40ºС до плюс 120ºС , живляться від 
низьковольтного джерела постійного струму. Їх коефіцієнт перетворення 
достатньо великий, щоб в більшості випадків обходитися без підсилювальної 
апаратури. На світовому ринку відомі датчики фірми Endevcо (США), в яких 
використовується відповідним чином вирізана кремнієва пластина, приварена до 
металевої консольної балки. Основний недолік даних датчиків складається в тому, 
що конструкція не центрована, конструктивний елемент має високу паразитну 
ротаційну чутливість. 
Таким чином по сукупності показників для мети інфранизькочастотної 
віброметрії системи з п’єзоелектричним перетворювачами найбільш доцільні у 
використанні та перспективні. П’єзоелектричні акселерометри мають високу 
чутливість. 
Прилад ИВУ-1П, структурна схема якого зображена на рисунку 1.1, 
призначений для вимірювання типових значень прискорення і є одним із 
найбільш простих п’єзоелектричних акселерометрів.[24]. 
 
6 
ВП ПД
1 2 3
4
6
Інд
5
Рисунок 1.1 – Структурна схема приладу ІВУ – 1П 
  
Блок 1 - вимірювальний перетворювач; блок 2 – попередній підсилювач; 
блок 3 – вимірювальний підсилювач; блок 4 – піковий детектор; блок 4 – 
індикатор; блок 6 – підсилювач потужності. 
Прилад виконує вимірювання віброприскорення від 1 до 1000 м/с2 в 
частотному діапазоні від 4 до 4000 Гц  з похибкою вимірювання 10%. Сигнал з 
вимірювального перетворювача ВП (блок 1) через попередній підсилювач (блок 
2) попадає подається на піковий детектор ПД (блок 4), для індикації стрілковим 
приладом (блок 4). Одночасно цей же сигнал подається на підсилювач потужності 
(блок 6), на виході якого є гнізда для підключення шлейфового осцилографа. До 
переваг даного . Проте прилад має високу нижню границю частотного діапазону і 
велику похибку вимірювання. 
Більшість вібровимірювальних приладів багатофункціональні, так як 
переміщення, прискорення і швидкість можуть бути визначені шляхом 
інтегрування або диференціювання. Таким чином вони містять функціональні 
перетворювачі. Види функціональних перетворювачів визначаються типом 
вимірювального перетворювача. Так прилади з п’єзоелектричним вимірювальним 
перетворювачем містять широко розповсюджені багатофункціональні прилади з 
п’єзоелектричними вимірювальними перетворювачами.  
 
7 
В [10] описана вібровимірювальна апаратура ВА1 призначена для 
вимірювання піків і середньоквадратичних значень віброшвидкості і 
віброприскорення. Структурна схема приладу наведена на рисунку 1.2. По 
принципу дії і структурних складових схеми прилад аналогічний описаному 
раніше ИВУ-1П, а як наслідок має такі ж недоліки, що обмежує його 
використання при інфранизькочастотних вимірюваннях. 
ВП   1 ПП    2 ПВВ   4 ВП  7
К    3 Інт.1  5 Інт.2  6 ПД   8 КД   9
Інд.   10
 
Рисунок 1.2 - Структурна схема приладу ВА-1 
 
Блок 1 – вимірювальний перетворювач; блок 2 – попередній підсилювач; 
блок 3 – калібратор; блок 4 перемикач вимірюваної величини; блок 4,6 – 
інтегруючі контури; блок 7 – вимірювальний підсилювач; блок 8 – піковий 
детектор; блок 9 – квадратичний детектор; блок 10 – індикатор 
Перетворювач п’єзоелектричний вібровимірювальний ДН-4-М1 
призначений для перетворення механічних коливань в електричні сигнали, 
пропорційні прискоренню коливного об’єкту. 
Технічні характеристики моделі ДН-4-М1: 
1. Робоча смуга частот віброперетворювача при закріпленні: 
а) стальною петелькою від 20 Гц до 12600 Гц 
 
8 
б) ізоляційною шпилькою від 20 Гц до 6000 Гц. 
2. Електричний опір віброперетворювача при нормальних умовах не 
менше    10 ГОм. 
3. Електрична ємність віброперетворювача з кабелем (142 В  300) пФ. 
4. Частота поперечного резонансу при закріпленні стальною шпилькою 
не менше 12600 Гц. 
5. Нерівномірність АЧХ в робочому діапазоні частот до 1,26 кГц не 
більше  10%. 
6. Відносний коефіцієнт поперечного перетворення при закріпленні 
стальною шпилькою не більше 4%. 
7. Нелінійність АЧХ в робочому діапазоні амплітудних значень 
віброприскорень 4200 м/с2 не більше  6%. 
8. Додаткова похибка при закріпленні стальною шпилькою, викликана 
зміною температури від –300С до +700С по відношенню до температури 20  40С 
не більше 0,24% від коефіцієнта перетворення в нормальних умовах. 
9. Частота установочного резонансу при закріпленні стальною 
шпилькою не менше 4200 Гц. 
10. Віброперетворювач стійкий до дії відносної вологості 98% при t = + 
340С. 
11. Віброперетворювач зберігає свої параметри, що вказані в п.ч, після дії 
механічного удару прискоренням не більше 10000 м/с2 і тривалістю (0,014 – 12,4) 
мс.  
Принцип роботи віброперетворювача заснований на прямому п’єзоефекті. 
При дії механічних коливань на основу перетворювача з прискоренням, інерційна 
маса випробовує дію сили. П’єзоелементи віброперетворювача випробовують 
деформації зтиснення, розтягування в результаті чого на поверхні п’єзоелементів 
виникають електричні заряди, пропорційні діючій силі. 
 
Авторські свідоцтва класифікуються по МКВ  
АС № 161226 G01 P 14/08  
 
9 
“П’єзоелектричний акселерометр” 
В авторському свідоцтві запропонована схема акселерометру, що має 
ознаки як п’єзоелектричного акселерометра так і акселерометра з модуляцією 
оптичного випромінення. 
4
6
5 8
3
11 до частотоміру
12
9 10 13
7
до вольтметру
Рисунок 1.4 – Функціональна схема п’єзоелектричного акселерометру 
 
Блок 1 – джерело світла; блок 2 – фотоприймач; блок 3 – пружній елемент; 
блок 4 - обєкт контролю; блок 4 – інерційна маса; блок 6 - п’єзоелемент; блок 7,8 
– електроди; блок 9 – узгоджуючий пристрій; блок 10 – підсилювач; блок 11 – 
тригер Шмідта; блок 12 – одновібратор; блок 13 – піковий детектор. 
Акселерометр складається із джерела світла 1, фотоприймача 2, пружного 
елементу 3, що жорстко закріплений на об’єкті контролю. До пружини закріплені 
інерційна маса електрод 8 напівпрозорий. 
Пристрій працює наступним чином. При обертанні обєкту контролю буде 
згин пружини 3 під дією інерційної маси 4. При цьому на електродах 
п’єзоелементу 6 виникають електричні заряди. Різниця потенціалів, що 
утворилася подається на 13 і до тригеру Шмідта 11. Вихідний сигнал з тригеру 
Шмідта подається на частотомір, для вимірювання періоду обертання. Записана в 
піковому детекторі в інфранизькочастотній смузі завдяки спеціальній схемі 
включення п’єзоелектричного елементу, що забезпечує гальванічну розвязку між 
 
10 
2 1
первинним перетворювачем і вимірювальною схемою. До недоліків даного 
пристрою  слід віднести обмеженість пристрою вимірювання тільки кутових 
прискорень.  
Таким чином в результаті аналізу існуючих технічних засобів віброметрії 
встановлено, що найбільш доцільними в інфранизькочастотній області 
вимірювання є п’єзоелектричні акселерометри. Проте виникає необхідність в 
розширенні плоского відрізку амплітудно-частотної характеристики в область 
досить низьких частот. 
 
11 
2 Обґрунтування технічного завдання 
 
Апаратура і прилади, встановлені на об’єкті, що піддаються в умовах 
експлуатації дії знакозмінних сил, випробують вібраційні навантаження, котрі 
можуть призвести до їх несправності. Дія вібраційних навантажень виникає при 
транспортуванні апаратури, при роботі потужних механізмів поряд з нею. 
Інтенсивність дії вібрації на апаратуру визначається не тільки амплітудою 
коливань, але і максимальним прискоренням. Найбільшу небезпеку для 
апаратури, що знаходиться під дією вібрації, створюють резонансні ефекти, коли 
частота вібрації близька до власних частот коливань елементів конструкції. 
Допустимі переміщення і прискорення вібрації, а також її частота залежить 
від призначення пристрою, місця його установки і тривалості експлуатації. 
Вібраційні перевантаження викликають механічні пошкодження 
апаратури, її монтажу і порушення режиму роботи. При співпадінні частоти 
вібрації з власними резонансними частотами елементів апарату можливий обрив 
провідників в місцях їх закріплення, порушення герметизації, виникнення 
коротких замикань між деталями і т.п. В регулюємих радіоелементах під дією 
вібрації може спостерігатися порушення початково встановлених номіналів. 
Вібрація важких радіоелементів, котрі закріплюються за допомогою шпильок, 
болтів, може призвести до їх поломки. Дія вібрації на несучі елементи конструкції 
виробів, такі як шасі, каркаси, стойки у випадку виникнення резонансних явищ 
може викликати їх поломку.  
Діапазон частот вимірюваних віброприскорень, заданий в технічному 
завданні від 0,1 до 20 Гц відноситься до інфранизькочастотного діапазону. При 
аналізі існуючих засобів віброметрії було встановлено, що п’єзоелектричні 
акселерометри є найбільш доцільними технічними засобами вимірювання в 
заданому діапазоні частот. Проте при звичайному включенні п’єзоелемента в 
нижній області частотного діапазону похибки вимірювання різко збільшуються. 
Це пов’язано з тим, що п’єзоелемент є генератором напруги, внутрішній опір 
якого має реактивний характер. При підключенні до п’єзоелементу активного 
 
12 
навантаження напруга на ній виявляється залежною як від амплітуди 
вимірюваного прискорення, так і від частоти, з якою воно змінюється. Це 
призводить до значної похибки, так, що при використанні п’єзоелектричного 
акселерометра в заданому частотному діапазоні необхідно використовувати 
складні коректуючі схеми. Для усунення частотної похибки акселерометра 
необхідно виконати дві умови: в якості навантаження використовувати ємність і 
виконувати повне гальванічне розділення ланцюгів датчика і реєструючої схеми. 
Для забезпечення надійної гальванічної розв’язки використовують 
оптоелектронні прилади. Тому для забезпечення високоточних вимірювань в 
інфранизькочастотному діапазоні необхідно використовувати п’зоелемент разом з 
оптоелектронними пристроєм з управлінням оптичним каналом. 
 
13 
3 Розробка структурної та принципової схеми 
 
3.1 Розробка структурної схеми 
Розглянемо структурні схеми вимірювачів віброприскорень з 
оптоелектронним пристроєм, котрі не мають тих недоліків, що існують в аналогів 
і придатні для вимірювання в інфранизькочастотному діапазоні вібрації. На 
рисунку 3.1 представлена структурна схема акселерометра принцип дії якого 
заснований на п’єзооптичних властивостях прозорого матеріалу. 
  4        6
АН1 ФП1
     1      3   8  9   10  11  12
ДВ ПП ВМ Інт. ПНЧ Кл. Л
  5       7
АН2 ФП2
   13     14      15   16   17  18   19
ТК КДЖ ПП ДС Г ДЧ ДШ
Рисунок 3.1 – Структурна схема п’єзоелектричного акселерометру 
 
Блок 1 – Джерело випромінення; Блок 2 – поляризаційна оптична система; 
Блок 3 – первинний перетворювач; Блок4,4 – аналізатори; Блок 6,7 – 
фотоприймачі; Блок 8 – вимірювальний міст; Блок 9 – інтегратор; Блок 10 – 
перетворювач напруга-частота; Блок 11 – ключ; Блок 12 – лічильник; Блок 13 – 
термокомпенсатор; Блок 14 – кероване джерело живлення; Блок 14 – пристрій 
порівняння; Блок 16 – датчик струму; Блок 17 – генератор; Блок 18 – дільник 
частоти; Блок 19 – дешифратор; Блок 20 – відліковий пристрій; Блок 21 – джерело 
опорної напруги. 
П’єзооптичний акселерометр містить джерело випромінення ДВ, 
поляризаційно оптичну систему ПОС, чутливий елемент ПП, що має моста 
включений датчик сумарного струму ДС моста. З датчиком струму з’єднаний 
 
14 
один із входів пристрою порівняння ПП, другий вхід якого з’єднаний з джерелом 
опорної напруги. ДОН. Вихід пристрою порівняння ПП підключений до входу 
керованого блоку живлення  КБЖ, до виходу якого підключений ланцюг 
живлення джерела випромінення ДВ, в ланцюг живлення також включений 
термокомпенсатор ТК. 
Робота п’єзооптичного перетворювача заснована на використанні 
п’єзооптичного ефекту, що заключається в залежності подвійного 
променезаломлення від механічної напруги. Основною причиною зміни 
чутливості п’єзооптичного акселерометра є залежність світловіддачі джерела 
потік за рахунок чого збільшуються струми фотоприймачів ФП1,ФП2 і напруга 
ДС наближається до початкового значення. 
Дана схема придатна для вимірювання прискорення в 
інфранизькочастотному діапазоні, проте їй притаманні недоліки. Основним 
недоліком даного акселерометра є низька чутливість первинного перетворювача, 
для підвищення якої необхідно використовувати великі інерційні маси, що 
призведе до збільшення похибки вимірювання віброприскорення при масі 
досліджуваного об’єкту сумірним з інерційною масою.  
На рисунку 3.2 представлена структурна схема диференційного 
термокомпенсаційного п’єзооптичного перетворювача. 
        3         6
ОК1 ФП1
        1         2         8         9       10       11      13       14
СС ДВ ВМ ПП Інт. АЦП ПКК ВП
        4         7
ОК2 ФП2
Рисунок 3.2 – Структурна схема диференційного п’єзооптичного 
перетворювача 
Блок 1 – стабілізатор струму; блок 2 – джерело випромінення; блок 3,4 - 
оптичний канал; блок 4 – первинний перетворювач; блок 6,7 – фотоприймачі; 
 
15 
блок 8 – вимірювальний міст; блок 9 – погоджуючий пристрій; блок 10 – 
інтегратор; блок 11 – аналогово-цифровий перетворювач; блок 12 – джерело 
опорної напруги; блок 13 – перетворювач код – код; блок 14 – відліковий 
пристрій. 
Акселерометр містить джерело випромінення ДВ, стабілізатор струму СС 
джерела випромінення, оптичний управляємий канал ОК, що складається із 
матеріалу який має електрооптичні властивості, п’єзоелектричний перетворювач 
ПП, пару фотоприймачів ФП1,ФП2, що включені по диференційній схемі в 
ланцюг вимірювального мосту ВМ; узгоджуючий пристрій ПП, вихід якого 
підключений до вимірювальної схеми, яка містить аналогово-цифровий 
перетворювач, джерело опорної напруги, перетворювач код-код та відліковий 
пристій. 
У почтковому стані джерело випромінення ДВ випромінює світловий 
потік, котрий проходить скрізь оптичний канал ОК і попадає на фотоприймач 
ФП1,ФП2. Оскільки фізичний стан ОК1, ОК2 однаковий, сигнал на виході стану. 
Тому вимірювальний міст визначає вихідний сигнал однозначно тільки 
вимірюваному прискоренню. 
До основних переваг даної схеми необхідно віднести підвищену чутливість 
вимірювань, а також зменшення похибки вимірювання за рахунок компенсації 
температурної нестабільності. 
До недолік даної схеми необхідно віднести складність конструкції 
перетворювача. 
Структурна схема кінцевого варіанту акселерометру зображена на рисунку 
3.3. П’єзоелектричний акселерометр з оптичним виходом містить джерело 
випромінення ДВ, стабілізатор струму СС, п’єзоелектричний перетворювач ПП, 
котрий змінює оптичний опір оптичного каналу ОК, фото приймальний пристрій 
ФП, вихід якого підключений до узгоджуючого пристрою, інтегруючий ланцюг 
Інт., аналогово-цифровий перетворювач АЦП, ключі К1, К2, лічильник імпульсів, 
регістр РГ, п’єзодатчика використовувати ємність і виконувати повну гальванічну 
розв’язку ланцюгів датчика і вимірювальної схеми. Це виконується в повній мірі, 
 
16 
якщо в ланцюгу навантаження використовувати рідиннокришталевий елемент 
(РКЕ). В цьому випадку електрична напруга, що генерується в п’єзоелементі, в 
результаті дії електрооптичного ефекту, перетворюється в пропорційну зміну 
оптичного опору РКЕ, котре керує інтенсивністю потоку, що проходить крізь 
нього.  
Блок 1 – п’єзоелектричний перетворювач; блок 2 – стабілізатор струму; 
блок 3 – ключ; блок 4 – джерело випромінення; блок 4 – оптичний канал; блок 6 – 
фотоприймач; блок 7 – узгоджуючий пристрій; блок 8 – пристрій компенсації 
похибки; блок 9 – інтегратор; блок 10 – джерело опорної напруги; блок 11 – АЦП; 
блок 12 - пристрій управління; блок 13 – ключ; блок 14 – лічильник; блок 14 – 
регістр; блок 16 – пристрій блокування; блок 17 – дешифратор; блок 18 – 
індикатор перевантаження; блок 19 – відліковий пристрій. 
Виходячи з цього в якості оптичного каналу ОК використовуємо 
рідиннокришталевий елемент. Проте використання в якості оптичного каналу 
РКЕ має свої суттєві недоліки. Це перш за все температурна залежність оптичних 
властивостей працює наступним чином. Перед початком чергового циклу 
вимірювання температурною похибкою РКЕ, а також сигналами шумів 
фотоприймача ФП і підсилювальних елементів в пристрої погодження. Під час 
циклу вимірювання значення сигналу похибки віднімається від вимірюваної 
величини, компенсуючи тим самим похибку вхідних ланцюгів акселерометра. Для 
збереження датчика від перевантаження під час вимірювання акселерометр має 
пристрій блокування показань ПБ та індикатор перевантаження ІП. 
 
3.2 Розробка принципової схеми 
Електрична принципова схема п’єзоелектричного акселерометра з 
оптичним виходом складається із блоку вимірювального, блоку індикації і блоку 
живлення. 
Вимірювальний блок, відповідно до структурної схеми містить : 
узгоджуючий пристрій ПП, пристрій компенсації похибки ПКП, інтегруючий 
 
17 
ланцюг, пристрій управління ПП, ключ К2, лічильник Л., реєстратор пам’яті РГ, 
дешифратор ДШ, пристрій блокування індикації ПБ. 
Узгоджуючий пристрій зібраний на операційному підсилювачі DA2, що 
виконує перетворення фотоструму фотодіода VD2 в вихідну напругу, а також на 
операційному підсилювачі DA4, що виконує кінцеве підсилення сигналу. За 
допомогою регулюючих резисторів R9 та R17 виконується балансування 
підсилювачів.  
Схема пристрою компенсації похибки ПКП побудована на операційному 
підсилювачі DA7, конденсаторі C21, резисторі R19, та польовому транзисторі 
VT2. 
Пристрій управління зібраний на елементах мікросхем DD2, DD3, DD4. 
Пристрій управління складається із тактового мультивібратора, що управляє 
процесом вимірювання; одновібратора, що формує інтервал часу вимірювання; а 
також лінії затримки, що формує імпульс обнуління показань лічильника.  
Мультивібратор зібраний на елементах D2.1, D2.2, D2.3, D3.1 та 
часозадаючих елементах C7, C8, R17, R20. Діоди VD2 призначені для швидкої 
розрядки С7, С8, що дозволяє формувати імпульси з малим переднім і заднім 
фронтом.  
Лінія затримки зібрана на елементах DD6.1, DD7.2 та інтегруючих 
ланцюгах R19, C9 та R23, C11. Лінія затримки забезпечує поступ обнуляючого 
імпульсу на лічильник через 2 – 3 мс після перезапису інформації у внутрішні 
регістри дешифратора.  
Ключ К2 побудований на елементі DD2.4 і забезпечує поступання на 
лічильних імпульсів на вхід лічильника під час дії вихідного імпульсу 
одновібратора.  
На ІМС DD4 – DD8 організований чотирьохдекадний двійково - 
десятковий лічильник, зміст якого в кінці циклу вимірювання перезаписується у 
внутрішні регістри дешифратора, що побудований на ІМС . На елементах DD4.3, 
DD4.4 та VT3, VD3 зібраний пристрій сигналізації перевищення значення вібрації 
гранично допустимого значення.  
 
18 
Живиться пристрій від стабілізованого джерела живлення. Стабілізація 
вихідних напруг виконується інтегральними стабілізаторами DA1, DA2, а також 
параметричним стабілізатором, що побудований на VT3 VD9 та компенсаційному 
стабілізаторі, що побудований на транзисторах VT1, VT2 та стабілітронах VD6, 
VD7, VD8. 
Працює схема наступним чином. Сигнал з обкладок п’єзоелемента BQ10 
прикладений до управляючих електродів РКЕ В1 і змінює оптичний опір РКЕ по 
закону вимірюваного прискорення. Тобто фотострум змінюється пропорційно 
вимірюваному прискоренню.  Під час початку циклу вимірювання на 
управляючий вхід ключа DD4.4 поступає імпульс з виходу одновібратора, що 
дозволяє проходження послідовності імпульсів на лічильний вхід лічильника 
DD4-DD8, протягом часу вимірювання Твим = 0,7 с. По закінченню часу 
вимірювання ключ DD2.4 закривається і після 0,4 с місткість лічильників 
перезаписується у внутрішні регістри пам’яті дешифраторів DD10 – DD14, і 
лічильники обнуляються через час, рівний часу затримки лінії затримки Тзатр. = 
0,3 с. 
 
 
19 
     2    4
СС ДВ
     1    3    5    10    15    17
ПЕ К1 ОК ДОН ПБ ІП
  6   7   9   11   13   14   16  18
ФП ПП Інт. АЦП К2 Л РГ ДШ
  8
 19
ПКП
ВП
  12
ПУ
 
Рисунок 3.3 – Структурна схема п’єзоелектричного акселерометра з оптичним виходом 
 
 
 
20 
4 Розрахунок основних параметрів 
 
Чутливим елементом датчика акселерометра є пластинка, що має 
п’єзоелектричний ефект. Датчики з кварцевими п’єзоелементами достатньо великі 
і важкі, і тому мають достатньо обмежений частотний діапазон. Датчики із 
сегнетової солі, не дивлячись на їх високу чутливість, знаходять ще менше 
використання через малий діапазон по температурі і вологості. Проте в 
теперішній час ці чутливі елементи витіснені датчиками з біморфними згибними 
елементами на оснві п’єзолектричних матеріалів із фероелектриків. 
Використання п’єзоелектричних датчиків акселерометрів отримало новий 
розвиток після того, як з’явилися поляризовані фероелектричні матеріали. Велика 
діелектрична проникливість і висока чутливість цих матеріалів дозволяє 
використовувати датчики менших розмірів, котрі мають такі ж характеристики. 
Велика механічна жорсткість і міцність п’єзокерамік дає можливість побудувати 
датчики з більш широким діапазоном вимірюваних прискорень, ніж це було 
можливим з іншим матеріалом. Разом з тим п’єзоелектричні перетворювачі 
значно дешевші у виготовленні і більш технологічні.  
Відомі п’єзоелектричні матеріали можна розділити на три групи: матеріали 
системи титанат-барія; ніобатної системи і системи цирконат-титанат свинцю 
ЦТС. Із матеріалів, що працюють в режимі прийому при дії механічних напруг 
найменші незворотні зміни п’єзомодуля мають матеріали системи ЦТС. Також 
матеріли даної системи мають високу відносну діелектричну проникливість Е = 
1200 – 1700, і забезпечують достатньо велике значення ємності, що необхідно для 
зменшення частотних похибок на нижніх частотах.  
Виходячи із цих вимог в якості матеріалу чутливого елементу датчика 
матеріалу вибираємо п’єзокераміку ЦТС. Тип даної п’єзокераміки – найбільше 
широко використовуваний ЦТС-19. 
Найбільшу чутливість мають біморфні п’єзоелектричні перетворювачі. 
Біморфні елементи працюють на згин, так як метод зсуву неефективний. При 
цьому прискорення прикладається перпендикулярно до поверхні біморфного 
 
21 
п’єзоелементу. Проте з іншої сторони перетворювачі прискорення вимагають 
досить високої механічної жорсткості чутливого елементу. Тому консольний тип 
закріплення біморфної пластини не рекомендується використовувати. Даних 
недоліків немає перетворювач, що складається із двох дискових перетворювачів, 
з’єднаних між собою з точкою опори в центрі. Приймаючи до уваги дані 
рекомендації отримуємо конструкцію датчика, що складається із ізоляційної 
стійки 4 на якій встановлено біморфний п’єзоелемент у вигляді кільцевої 
пластини 1, котра закріплена в центрі, та кільцевим інерційним елементом 6, 
котрий закріплений по периметру пластини. Датчик має також вісім рухомих 
упорів 4 з елементами піджаття 11, що розташовані радіально у отворах 
інерційного елементу рівномірно по його периметру. Така конструкція забезпечує 
рівномірне навантаження кроїв пластини і розширює можливості регулювання 
електромеханічних характеристик, а саме компенсацію поперечної чутливості. Це 
забезпечується шляхом статичного навантаження елементами піджаття 11 
пластини в напрямку, перпендикулярному вимірюваному прискоренню. 
 
Розрахунок чутливого елементу датчика на згин 
При розрахунку пластини на згин деформацію реальної мембрани, що має 
одночасно опір згину і розтягуванню, визначаємо по методу накладення, тобто 
прирівнюємо суми опорів на згин і розтяг до величини зовнішнього 
навантаження. 
Відповідно до [26] прогин круглої пластини з жорстким центром 
визначається по формулі: 
 
 2 2  R  
r  ln
3   2
1     2 2   2
R  r 
 r  F  R
o                             (4.1) 
2 2 2 3
  4  R R  r  E  h
 
 
де δ – прогин пластини, м; 
 
22 
R – робочий радіус пластини, м; 
R – радіус жорсткого центру. м; 
E – модуль пружності матеріалу, 70*109 Н/м2; 
H – товщина мембрани, м; 
μ – коефіцієнт Пуасона для матеріалу 0,36. 
Значення максимального навантаження пластини визначаємо із умови 
міцності. У мембрани з жорстким центром небезпечним відрізками є зовнішній 
контур защемлення і внутрішній контур жорсткого центру, так як згин в даних 
областях максимальний. Відповідно [26] при малих прогинах згибні напруги на 
зовнішньому і внутрішньому контурі визначаються по формулі:  
 
 2  R  
 2  r  ln  
 r  3  F
  1   
зовн . 2 2 2
 R  r  2    h
 
                      (4.2) 
 2  R  
2  R  ln  
 r  3  F
    1 
внутр . 2 2 2
 R  r  2    h
 
 
Із формули (4.2) визначаємо значення максимально допустимого 
навантаження Fmax1  та Fmax2 , і в якості критичного значення візьмемо найменше 
значення.  
 
23 
2
2    h   
F  зг .
max 1
 2  R  
2  r  ln  
 r 
3    1
2 2
 R  r 
 
                                       (4.3) 
2
2    h   
F  зг .
max 2
 2  R  
2  R  ln  
 r 
3    1
2 2
 R  r 
 
 
де [σзг.] – границя механічної міцності на згин для матеріалу 
п’єзоелектричної пластини 0,4*107 Н/м2. 
Тоді, підставивши значення в формулу (4.3) значення для п’єзоелектричної 
пластин розміром R=24*10-3 м, h=1*10-3м, r=11*10-3 м, отримаємо: 
 
 3 2 7
2    1 10  0 ,5 10
F   17 ,28H
max 1
  3
3 2 25 10  
 2  11 10   ln 
3  
  11 10 
3  1  
  3 2  3 225 10  11 10 
 
 
 
2     3 2 7
1 10   0 ,5 10
F   10 ,1H
max 2
 3 
3 2  25 10 
2  11 10   ln 
3 
11 10 
3  
 
 1
  3 2 3 2
25 10   11 10  
 
 
 
Таким чином максимально допустиме значення навантаження пластини 
Fmax=10,1 H. Робоче навантаження вибираємо виходячи із умови забезпечення 
запасу міцності, а також із конструктивних міркувань Fp=2,4 H. Тоді маса грузу 
інерції визначається із закону Ньютона: 
 
24 
F
p 2,5
m    0,05кг .                                    (4.4) 
a 50
max
 
де amax – максимальне значення віброприскорення, м/с2. 
По формулі (4.1) визначаємо максимальний прогин країв пластини: 
 
 3 2
 3 2 25 10  
 11 10   ln 
3   2 3 2 3 2 2
1  0 ,38   25 10   11 10   3
11 10  
o    x
  3 2  3 2  3 2 
4  25 10 25 10  11 10
   
 
 3 2
25 10   2 ,5 7
x  7 ,2 10 м
9 3 3
70 10  10 
 
Відповідно [14] жорсткість пластини визначається по формулі: 
 
3 9 3 3
Е  h 70 10  10 
Н    6,81Нм                                  (4.4) 
 2  2
12  1   12  1  0,38 
 
де Н – жорсткість пластини, Н м. 
Відповідно [24] частота власних коливань пластини fo визначається по 
формулі: 
 
3 9
0,492  h E 0,492 1 10 70 10 3
fo      2,5 10 Гц          (4.6) 
2 3 2 3
R  ( 25 10 ) 7 10
 
де ρ – щільність матеріалу п’єзоелектричної пластини 7*103 кг/м3. 
 
25 
Чутливість біморфного згибного елементу, що зображений на рисунку 4.1 
може бути визначена виходячи із значень механічних напруг в біморфному 
елементів та п’єзоелектричного коефіцієнта q для випадку лінійного 
розтягування. 
r
1 2 3
R
 1 – опора; 2 – п’єзоелемент; 3 – інерційна маса 
Рисунок 4.1 – П’єзоелектричний датчик 
 
Відповідно до [18] нехтуючи утисненням в поперечному напрямку, для 
напруги на обкладках п’єзоелемента можна записати: 
 
U  qx, y dxdy                                    (4.6) 
п .е
 
де σ - напруга на біморфному елементі, Н/м2; 
х - координата по радіусу елементу, м; 
y – координата по товщині біморфного елементу, м. 
Рівняння згибного моменту для закріпленої по зовнішньому контуру 
круглої пластини визначається із [31] по формулі: 
 
    2
1    F  R  R  1    r  F  1 1 
M   ln                          (4.7) 
2 2
4    r  16    x R 
 
 
26 
h
де μ – коефіцієнт Пуасона 0,38; 
R - робочий радіус пластини 24 мм; 
R - радіус жорсткого центру 11 мм; 
F – сила, що діє на торець елементу, Н. 
Із [31] визначаємо вираз зв’язку згибних моментів М та механічних напруг 
σ по формулі: 
 
M  y
x , y                                            (4.8) 
Jz
 
де Jz – момент інерції пластини відносно вісі z. 
Тоді вихідна напруга п’єзоелементу: 
 
q  F  2 3 3
33 1     R  ln R R  ln( r )   R   1     r 1     r 
U    
вих     ln   1    
Jz  4   r   r   8    R 16   

 3
1     r h / 2
  ydy
3 
8    R 0
(4.9) 
 
Із [31] визначаємо момент інерції пластини: 
 
3
2  R  h
Jz                                               (4.10) 
12
 
Використовуючи формули (4.9) та (4.10) після математичних перетворень 
отримаємо: 
 
27 
q 3  F    2 3 3
33 1  R  ln R R  ln( r)   R   1    r 1    r 
U       ln 1
вих        
4 R  h 
 4   r   r   8   R 16   

1   3
 r
 
3
8   R  
3 3 2 3
24 10  3  2,5  1 0,38   (25 10 )  ln( 25 10 ) 
     
3 3  
4  25 10 1 10  4   
3 3 3 3 3 3 3
(25 10 )  ln(11 10 )   (25 10 )   1    (11 10 ) 1   11 10
  ln 
3   1   
3 3
11 10 
  11 10 
  8    (25 10 ) 16  
 3 3
1    (11 10 )
  0,281В
3 3
8    (25 10 )
0.281
0.28
0.26
0.24
0.22
0.2
0.18
0.16
U( a)
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0.029
0 3.33 6.67 10 13.33 16.67 20 23.3326.67 30 33.33 36.67 40 43.33 46.67
4.9 a 48.3
 
Рисунок 4.2 – Графік залежності вихідної напруги датчика від прискорення 
(сили) 
 
Тоді чутливість ненавантаженого перетворювача визначається по формулі: 
 
3
U
вих 0,49 10 3 2
Sn    6,1 10 В /( м / с )                                (4.11) 
а 50
max
 
 
28 
Визначаємо максимальне значення вихідної напруги на обкладках 
п’єзоелемента при умові, що його навантаженням є рідкокристалічний елемент. 
Дані елементи акселерометра утворюють у сукупності ємнісний дільник, тому 
напруга на пластинах РКЕ буде: 
 
С U
U  п п .е
р .к .е                                        (4.12) 
С  С
п р .к .е
 
де Сп – ємність п’єзоелементу, Ф; 
Ср.к.е – ємність Р.К.Е., Ф. 
Біморфний елемент може бути з’єднаний як паралельно так і послідовно. 
Паралельне з’єднання елементів біморфного елементу призводить до подвоєння 
значення ємності пластини і дозволяє збільшити частотний діапазон в область 
низьких частот. Тому у датчику використовуємо паралельне з’єднання 
п’єзопластин. Ємність такого п’єзоелементу визначаємо по формулі: 
 
2 2
4        R  r 
C  о 
п
h
                (4.13) 
12 3 2 3 2
4 1525  8,85 10    25 10   2 10  9
  105 ,3 10 Ф
3
1 10
 
де ε – діелектрична постійна матеріалу п’єзоелементу 1424; 
εо – діелектрична постійна 8,84*10-12 Ф/м; 
r – радіус конструктивного отвору 2*10-3 м. 
Ємність РКЕ визначається по формулі: 
 
12 4
    S
о 5,17  8,85 10 1,54 10 11
C    47 10 Ф          (4.14) 
Р .К .Е 6
d 15 10
 
де ε – діелектрична постійна шару РКЕ 4,17; 
 
29 
S – площа пластин РКЕ 1,4410-4 м2; 
D – товщина шару РКЕ 1410-6 м. 
Тоді використовуючи формулу (4.12) визначаємо максимальне значення 
напруги на обкладках РКЕ: 
 
9
105,3 10  0,281
U   0.280В
РКЕ max  
9 11
105,3 10  1,7 10
 
Визначимо вихідну напругу п’єзоелементу при умові навантаження його 
виходу підсилювачем напруги. 
При синусоїдальній силі f=Fmsint миттєвий струм: 
 
dq d(d F sin t)
11 m
i   .    (4.14) 
dt dt
 
Вихідна напруга перетворювача з підключеним до нього вимірювальним 
ланцюгом складає: 
 
 R 
U  І
( jC )  ,      (4.16) 
ВИХ R  1 
 ( jC ) 
 
де I  jd F
11 ; 
 
  j R 
U  d  F  .     (4.17) 
ВИХ 11
 (1 j R C) 
 
Як видно з останнього виразу, амплітуда напруги і зсув фаз між напругами 
і вимірювальною силою залежать від частоти: 
 
30 
d  F   R C
U  11 m ;    arctgRC
mВИХ
C 2 2 2
R C 2
1    .(4.18) 
 
Амплітудно-частотна і фазочастотна характеристики перетворювача, 
включеного у вимірювальний ланцюг, розраховані в пакеті MatCAD і наведені в 
додатку Д. Із наведених виразів випливає, що напруга на вході підсилювача не 
буде залежати від частоти тільки при високих частотах >1/(RC)  і буде 
дорівнювати: 
 
 d F
11
U 
ВИХ .      (4.19) 
C
 
Із цього виразу видно, що вихідна напруга перетворювача залежить від 
ємності вхідного ланцюга. Тому якщо в характеристиках перетворювача 
вказується його чутливість по напрузі, то обов’язково повинна бути вказана і 
ємність, що відповідає цій чутливості. У ряді випадків вказується чутливість по 
q
заряду S 
q  , власна ємність перетворювача С0 або напруга холостого ходу 
F
d F
11
U 
X .X .  і також власна ємність перетворювача. У всіх випадках, знаючи 
C
0
сумарну ємність С, можна розрахувати вихідну напругу перетворювача. 
Для розширення частотного діапазону вимірювальних величин у бік 
низьких частот, очевидно, слід збільшити постійну часу ланцюга   RC . Для 
отримання уявлення про значення опору і ємності, на рисунку 4.3 г,д, показані 
криві 1 і 2 чутливості п’єзоелектричного акселерометра у функції частоти для 
різних випадків R і С. Розширення частотного діапазону шляхом збільшення 
ємності С (крива 2) легко здійснюється включенням паралельно перетворювачу 
конденсаторів, але це призводить до зменшення вихідної напруги перетворювача. 
Зменшення опору R призводить до збільшення частотного діапазону без втрат 
 
31 
чутливості, проте підвищити опір можна шляхом удосконалення якості ізоляції і 
використання підсилювачів з високоомним входом. 
Власний опір п’єзоелемента R0 визначається питомим опором матеріалу 
пластин та їх поверхневим опором. Перша складова, особливо для кварцу (1014 –
1016 Ом), як правило, значно більша за другу, тому визначним є поверхневий опір, 
для підвищення якого до R=109  1010 Ом перетворювач необхідно герметизувати, 
захищаючи його поверхні від вологості та забруднення. 
Визначимо опір постійному струму п’єзоелемента по формулі: 
 
3
h 11 1 10 10
R     2,5 10   3,2 10 Ом        (4.20) 
п 2 2 2 2
  R  r   3 3
  25 10   2 10  
 
де ρ – питомий опір матеріалу п’єзокераміки ЦТС-19  2,4*Ом м. 
Вхідний опір сучасних операційних підсилювачів складає Rоп = 40 МОм, а 
вхідна ємність Соп=10 пФ [17]. Ємність використаного кабелю АВК визначаємо 
по [24] і складає Ск=70 пФ/м., таким чином для кабелю довжиною 2 м ємність 
кабелю Ск=140 пФ.  
Сумарний опір і сумарна ємність ланцюгу визначається по формулі: 
 
10 6
R  R
п оп 3,2 10  50 10 7
R    5 10 Ом                    (4.21) 
10 6
R  R 3,2 10  50 10
оп п
 
12 12 9 7
С  С  С  С 140 10  10 10  105 ,3 10 1,05 10 Ф (4.22) 
к оп п
 
Використовуючи формулу (4.18) визначаємо фазову похибку на 
найменшій вимірюваній частоті ω=0,628 рад: 
 
 1 
  arctg    16 ,8 рад  
7 7
 0,628  5 10 1,05 10 
 
32 
Таким чином видно, що вимірювання віброприскорення в даному діапазоні 
має велику похибку через фазовий зсув між вимірюваним віброприскоренням і 
сигналом датчика.  
Визначимо фазову похибку, що вноситься в вимірювання при 
використанні в якості навантаження п’єзоелементу рідкокристалічного елементу. 
Для цього визначимо опір шару РКЕ по формулі: 
 
6
d 11 15 10 10
R     1,4* 10   1,36 10 Ом            (4.23) 
РКЕ р 2
  r  3
  7 10 
 
де ρр – питомий опір шару РКЕ 1,41011 Омм; 
r – радіус пластини РКЕ 7 10-3 м. 
Тоді сумарний опір вимірювального ланцюга визначається по формулі: 
 
10 10
R  R
РКЕ п 1,36 10  3,2 10 10
R    0,95 10 Ом                 (4.24) 
10 10
R  R 1,36 10  3,2 10
РКЕ п
Сумарна ємність вимірювального ланцюга визначається по формулі: 
 
12 9 9 7
С  С  С  С 140 10  105 ,3 10  0,47 10 1,06 10 Ф (4.24) 
к п РКЕ
Визначаємо фазову похибку даного ланцюга, використовуючи формулу: 
 1 
  arctg    0,09рад
107 7
 0,628  0,95 10 1,06 10 
 
Таким чином максимальне значення вихідної напруги на навантаженні 
п’єзоелемента РКЕ практично дорівнює вихідній напрузі ненавантаженого 
п’єзоелемента і фазова похибка в даному вимірювальному ланцюзі значно менша, 
ніж при використанні в якості навантаження операційного підсилювача. Із даного 
аналізу видно, що при вимірюваннях віброприскорення на інфранизьких частотах 
переваги має схема п’єзоелемент - рідкокристалічний елемент. 
 
33 
Із аналізу виразу (4.18) видно, що напруга на виході вимірювальної схеми 
не буде залежати від частоти протікаючих процесів при виконання умови  
1
  . Підставивши в вираз числові значення, отримаємо, що на самій 
R C
низькій частоті ωmin = 0,628 рад дана умова виконується. 
 
Вимірювальні кола  
Особливістю п'єзоелектричних перетворювачів, що накладає певні умови 
на характер вимірювального кола, є надзвичайно мала вихідна потужність при 
високому вихідному опорі. Це призводить до необхідності застосовувати 
високочутливі підсилювачі з дуже великим вхідним опором, або так звані 
підсилювачі заряду. 
Вимірювальні кола п'єзоелектричних датчиків виконуються у вигляді 
підсилювачів напруги з високим вхідним опором, наприклад, як на рис.4.3,б. 
Напруга, що надходить на вхід підсилювача: 
 
 R 
q1
2

q jRC  R
1  jRC
       U 
в х ,U  
в их                 (4.25) 
C 1 jRC C 1 jRC ,
 
де С=Со+СК+С1. 
Основним недоліком схеми з підсилювачем напруги є залежність вихідної 
напруги від ємності кабелю СК, яка може значно змінюватись залежно від 
положення кабелю і таких зовнішніх чинників, як температура та вологість. Для 
зменшення впливу зміни ємності кабелю на чутливість паралельно до входу 
підсилювача під'єднується стабілізуючу ємність С1. 
Сьогодні для підсилення вихідного сигналу п'єзоелектричного 
перетворювача застосовують також так званий підсилювач заряду рис.4.3,в. 
Вихідна напруга підсилювача заряду: 
 
34 
q jR С
U  ЗВ ЗВ
ВИХ
C 1 1            (4.26) 
ЗВ 1 jR С 
ЗВ ЗВ
К   С  С R 
 jR С 1 0 К
 1 ЗВ 
ЗВ ЗВ
С R 
  ЗВ ВХ  ,
де RЗВ та Сзв - опір та ємність в колі зворотного зв'язку;  
k= 104... 105 - коефіцієнт підсилення підсилювача;  
Rвx= 1010... 1011 Ом - вхідний опір підсилювача.  
В області частот ω >> 1/ τзв де  τзв= RзвСзв, отримаємо: 
q  k
U                                          (4.27) 
в их
C 1 k  C  C
ЗВ 0 K .
Основною позитивною властивістю вимірювальних кіл з підсилювачем 
заряду є незалежність вихідної напруги від ємності (Со+Ск). Другою перевагою є 
можливість забезпечення високої сталої часу, яка в реальних конструкціях 
датчиків з підсилювачем заряду досягає 50.. 100 с. 
Ключ S в колі зворотного зв'язку рис.4.3,в служить для швидкого встанов-
лення нульової початкової напруги на виході. Замиканням цього ключа 
розряджається конденсатор Сзв, який за великих сталих часу кола зворотного 
зв'язку розряджався б дуже повільно. Чутливість більшості підсилювачів заряду 
лежить у межах 0,1... 10 мВ/пКл. Існують навіть підсилювачі з чутливістю до 1 
В/пКл. 
П'єзоелектричні перетворювачі широко застосовуються як перетворювачі 
швидкозмінних тисків у діапазоні від 104 до 107 Па та частотному діапазоні від 
одиниць герц до десятків кілогерц. Необхідно відзначити, що вимірювання 
динамічного тиску супроводжується здебільшого порівняно високим рівнем 
квазістатичного тиску, значення якого може досягати до 10 МПа. Тому суттєвими 
вимогами до п'єзоелектричного датчика в цьому випадку є висока механічна 
міцність. 
 
 
 
 
35 
4.2 Розрахунок рідкокристалічного елементу 
В даній конструкції рідкокристалічний елемент РКЕ використовується в 
якості навантаження для п’єзоелементу. В цьому випадку електрична напруга, що 
генерується в п’єзоелементі інерційними силами, в результаті дії 
електрооптичного ефекту перетворюється в пропорційну зміну оптичного опору 
РКЕ, котрий змінює величину світлового потоку, що пройшов через РКЕ. При дії 
електричного поля проходить переорієнтація довгих молекулярних осей РКЕ, що 
викликає перехід із однієї текстури в іншу. Зміна орієнтації молекул, зображена 
на рисунку 4.4, під дією електричного поля отримало назву ефекту Фредеріка.  
~ ~
Рисунок 4.4 – деформація гомеотропних структур нематичного рідкого 
кристалу  
Серед різновидів даного ефекту розглянемо деформацію гомеотропних 
структур наматичного РКЕ, що зображена на рисунку 4.4. Коли молекула рідкого 
кристалу потрапляє в електричне поле, утворюється наведений диполь, тобто 
молекула поляризується. Чим більше степінь поляризації, тим більше дипольний 
момент. Виникаючий механічний момент повертає молекулу так, що дипольний 
момент молекули шикується вздовж напрямку вектору напруженості 
електричного поля. Гомеотропні структури – це рідкі кристали з від’ємною 
діелектричною анізотропією У таких кристалів дипольний момент 
перпендикулярний молекулі. Такі молекули в електричному полі шикуються 
довгою віссю паралельно силовим лініям. При подачі змінної напруги вісі 
молекул відхиляються від першого положення, тобто спостерігається ефект 
деформації попередньо узгодженого порядку молекул на кут φ. В точці, для якої 
напрямок оптичної вісі відхиляється від початкового положення на кут φ, 
 
36 
відповідно [1], коефіцієнт заломлення рідкого кристалу n визначається за 
формулою: 
n  n
n  e o                                                  (4.28) 
2 2 2
n  Sin   n Cos 
e o ,
де ne – коефіцієнт заломлення для незвичайного променя; 
no - коефіцієнт заломлення для звичайного променя. 
Таким чином при відсутності електричного поля вісі молекул нематичного 
рідкого кристалу розташовані паралельно напрямку світлового потоку, котрий 
проходить через РКЕ практично без витрат. В електричному полі молекули 
розвертаються, внаслідок чого частина потоку розсіюється, відбиваючись від 
поверхні. У відповідності з відомими в оптиці законами кількість світлової 
енергії, що витрачається на переборення оптичного опору середовища, залежить 
від співвідношення між кутами заломлення γ і відбиття α. При цьому особливістю 
рідиннокристалевих речовин є залежність коефіцієнта заломлення від кута 
повороту молекул. 
Аналітично таку залежність можна представити формулою: 
1 1
  arcSin  arcSin                                            (4.29) 
n n
e o ,
де Δγ – зміна кута заломлення. 
Враховуючи, що Δγ є константою, що характеризує РКЕ, кут заломлення, 
пропорційний куту повороту осей молекул можна визначити за формулою:  
2  
                                                       (4.30) 
 .
Використовуючи відомі в геометричній оптиці формули, що зв’язують 
оптичний опір r з кутами відбиття і заломлення, отримаємо: 
2    2 2
2  1     
r                                                     (4.31) 
 2
2   ,
2  
де M  1   
 .
 
37 
Із виразу (4.29) маємо, що функція має мінімальне значення при α=0˚. Із 
[24] для нематичного рідкого кристалу типу МББА визначаємо Δγ=0,24. Тоді 
підставивши числові значення в формулу (4.31) отримаємо: 
2  0,24
M  1  0,847

 
  2 2
2  2  1 0,847  0,847  0 
r   0,46
2  0,847 
2
.
При зміні кута α від 90 до 60˚ значення r>1. В цьому випадку можна 
вважати, що практично вісь енергії світлового потоку проходить через РКЕ, і 
тому для аналізу процесів, що протікають в ланцюгах акселерометра необхідно 
використовувати приріст оптичного опору  Δr, що визначається за формулою: 
2 2
2 M  
r                                                            (4.32) 
 2
2  M .
Початкову, найбільш нелінійну частину кривої Δr=f(α) можна виключити, 
якщо на РКЕ подати від стороннього джерела напругу зміщення. Відповідно [9] 
величина напруги зміщення визначається за формулою:  
5
5,7 10  d k  M
y
U   
зм
 2 2
n S  l  2  M   4  1 M 
е m    (4.33) 
5 6 12
5,7 10 15 10 3 10  0,847
   5,1 В
5,17 4 9 2 2
1,54 10 1,5 10  2  0,847   4  1 0,847 
.
де d – товщина шару РКЕ 15 10-6 м; 
εn – діелектрична постійна шару РКЕ 5,17; 
ky – коефіцієнт пружності РКЕ; 
Se – площа поверхні РКЕ 1,54 10-4 м2; 
lm – довжина молекули рідкого кристалу 1,5 10-9 м. 
Даній напрузі зміщення відповідає такий кут відбиття, при якому r=1. 
Функцію Δr=f(α) можна лінеарізувати, при цьому, відповідно [9], 
отримаємо: 
2
1,7 M
r                                                      (4.34) 
2
2  M
,
 
38 
Зміну кута відбиття Δα визначаємо за формулою: 
  k U
г РКЕ ,                                                             (4.33) 
де kг – коефіцієнт пропорційності. 
Із [9] значення kг коефіцієнт пропорційності визначаємо за формулою: 
11 2 11 2 4 9
3,7 10    S  l U
n е m зм 3,7 10  5,17 1,54 10 1,5 10  5,1
k    1,76  
г 2
k  d 12 6 2
y 3 10  15 10  .
Використовуючи формулу (4.32), (4.33) визначимо максимальне значення 
зміни оптичного опору Δrmax при дії на РКЕ напруги UРКЕ = 0,280 В: 
2
1,7  0,847  1,76  0,28
r   0,452  
max
 2
2  0,847  .
 
0.5
0.452
0.47
0.43
0.4
0.37
0.33
0.3
0.27
r( a)
0.23
0.2
0.17
0.13
0.1
0.067
0.033
0.046
0 3.33 6.67 10 13.33 16.67 20 23.33 26.67 30 33.33 36.67 40 43.33 46.67
4.9 a 48.3
Рисунок 4.5 – Графік залежності Δr=f(a) 
 
39 
4.3 Розрахунок динамічних характеристик вібраційної системи 
Пристрої на основі п’єзоелектричного перетворювача в більшості випадків 
складаються із декількох пов’язаних між собою елементів. Елементи в процесі 
виконання ними функцій взаємодіють між собою, взаємодія ця є внутрішньою. 
Механічна сторона перетворювача представляє пружньо-інерційну систему, а 
електрична RC – ланцюг. Структурна схема динамічної системи представлена на 
рисунку 4.6. 
Ланка Wo(p) вводиться для виділення пружних і інерційних властивостей 
(розрахунок виконано в п.п. 4.1). 
Ланка W(p) зв’язує механічні і електричні параметри перетворювача. 
Ланка Wпп(p) – зв’язує вихід і вхід диференцюючого RC – ланцюга. 
а  Х  Uoп  U 
   Wo(p)      W(p)    Wпп(p) 
Рисунок 4.6 – Структурна схема динамічної системи 
Передаточна функція для режиму прямого п’єзоефекту: 
п
W (р)  W (p)  W (p)  W (p)
пп o пп .                                (4.34) 
Розрахунок передаточної функції виконано в пакеті MathCAD і наведено в 
додатку Д. 
Розраховуємо передаточну функцію W(p), що зв’язує електричні і 
механічні параметри перетворювача за формулою: 
3
Ep 1.2 10  12 2
2.2 10  2 R1 Ep
W1
h1 W1  0.053
де ε – діелектрична постійна п’єзоелектричного перетворювача 1500; 
D – діаметр перетворювача 10 мм; 
Ep – залишкова поляризація кераміки 1.2 кВ/м; 
H – товщина перетворювача 1,2 мм. 
Розраховуємо передаточну функцію Wпп(p), що зв’язує вхід і вихід 
диференційного RC – ланцюга.  
 
40 
Електричний диференційний RC – ланцюг описується рівнянням: 
dU dU
T вих  U  Т вх
вих                                       (4.35) 
dt dt
Комплексний коефіцієнт перетворення: 
j   T
W( j)  S 
o                                          (4.36) 
1 j   T
де So – статична чутливість, тобто чутливість до постійної вхідної 
величини; 
R R
o вх
Т – постійна часу перетворювача: T  R C   С  С 
о вх ; 
R  R
o вх
Ro, Rвх – активний опір перетворювача і вхідного ланцюга підсилювача; 
Co, Cвх  - ємність перетворювача і вхідного ланцюга підсилювача. 
Амплітудно – частотна характеристика такої ланки:  
 T
S()  S 
o                              (4.37) 
2 2
1  T
1
0.999999999995
0.99999999999
0.999999999985
0.99999999998
Wv( ) 0.999999999975
0.99999999997
0.999999999965
0.99999999996
0.999999999955
0.99999999995
2 
4
10 1.6 
4 4 4 4 4
10 1.2 10 8000 4000 0 4000 8000 1.2 10 1.6 10 2 10

 
Рисунок 4.7 – АЧХ вимірювальної схеми 
1
Фазочастотна характеристика : ()   arctan( )
 T  
 
41 
1.4 
6
10
7
8 10
7
2 10
7
 4 4 4 4 4 4  4 4 4 4 4 4
2 101.8 101.6 101.4 101.2 101 10 8000 6000 40040120000 0 2000 4000 6000 80001 101.2 110.4 101.6 101.8 102 10
1 
6
10
6
1.6 10
6
2.2 10
 6
2.8 10
6
3.4 10
6
( ) 4 10
6
4.6 10
6
5.2 10
 6
5.8 10
6
6.4 10
7 
6
10
6
7.6 10
6
8.2 10
 6
8.8 10
9.4 
6
10
5
1 10
  
Розрахунок перехідних характеристик датчика
Рисунок 4.8 - Фазочастотна характеристика вимірювальної схеми 
Розрахунок АЧХ і ФЧХ наведено в додатку Д . Як видно із розрахунків 
диференційну ланку можна використовувати у двох випадках. В області низьких 
частот ωТ<<1 така ланка є приблизно диференційною з φ ≈ +90º і похибкою: 
1 2 2
в     Т                                                         (5.38) 
2
В області високих частот ωТ>>1 пр1.5иблизно безінерційним з φ ≈ 0º і 
1.5
1.38
похибкою γн. 
1.25
ЧастотРноі зпроаххиубнкоик к оАлЧивХно їі  лФанЧкХи,  щі оп порхаицбюоєк  в1 д.1р3леяж иRмCі ф –іл ьлтарнак нии жвниіхк очнааснтот в пакеті 
1
Mf1athC 3 4
o 2A.5 D10 і навoеде2ноf 1вo доoда т1к.5у71 Д10.   0.6  1 1  2 0.1  3 0.3
0.88
  4 4 4 
 1.628 10  1.55 10   1.628 10  (  ) 0.75
 o
0.63
 1
M(  () ) 0.5 1
M1(  )
2
2(  ) 2  2 2 0.38
 (  ) 1 4   (  ) 2
2 2 2
 (  ) 0.251 4  1  (  )
3(  )
0.13
1(  )
1.2 1.09 0.98 0.87 0.76 0.65 0.54 0.43 0.32 0.21 0.1 0.01 0.12 0.213 0.34 0.45 0.56 0.67 0.78 0.89 1
1 M2(  )
M3(  ) 0.13
2
2 0.25 2 2 2
2  2  2  (  ) 1 4  2  (  )
 (  ) 1 4  3  (  )
0.38
0.5
0.63
 1(  ) M1(  ) 1  2(  ) M2(  ) 1  (  ) M(  ) 1  3(  ) M3(  ) 1
0.75
 
1 0.88
 n(  ) 1 42 
0.517877 1
2
2  2  2
1.036417(  ) 1 4   (  )  (  ) 0.999493
0.041593
0.038
0.025
0.013
1.2 1.09 0.98 0.87 0.76 0.65 0.54 0.43 0.32 0.21 0.001.13 0.01 0.12 0.23 0.34 0.45 0.56 0.67 0.78 0.89 1
0.025
0.038
0.05
0.063
n(  ) 0.075
0.088
0.1
0.11
0.13
0.14
0.15
0.16
0.18
0.19
0.197373 0.2
1.036417  (  ) 0.999493
 
Рисунок 4.9 - Графік залежності похибки в області низьких частот від 
частоти 
 
Відомо, що будь який складний періодичний процес шляхом розкладу в 
ряд Фур’є може бути представлений сумою синусоїдальних складових. Таке 
представлення процесу у вигляді постійної і суми гармонічних складових дає 
можливість реєструвати складний процес вимірюваним приладом у вигляді 
реакції приладу на кожну із складових. Як наслідок, маємо, що ідеальний 
вимірювач повинен однаково добре реєструвати всі складові – від нульової до 
найвищої частоти з мінімальними амплітудами і фазовими викривленнями. 
X(t)  X  X Sin (  t   )  X Sin (  t  n   )
o 1 1 n n                (4.39) 
Відтворення такого роду дії при механічних випробуваннях представляє 
собою практично не виконану задачу, тому при механічних випробуваннях на 
віброміцність допускають, що : 
X (t)   X Cos (  t)  X Cos (  t)                                   (4.40) 
2
X (t)   X Sin (  t)  X Sin (  t)
 
43 
В основі всіх методів вимірювання параметрів лінійного руху твердого 
тіла лежить вимірювання сили інерції Fi  m  a . 
В загальному випадку рух чутливого елементу описується диференційним 
рівнянням: 
2
d x dx
m   P W  x  F
2 y i
dt dt
2
d x dx
m   P W  x  m  a
2 y
dt dt                                       (4.41) 
приведеном у вигляді
2
X  2    X  X    a
o o
W
де    - власна механічна частота коливань; 
o
m
P
y
   - степінь заспокоєння; 
2  m W
Ру – коефіцієнт заспокоєння; 
W – жорсткість п’єзоелементу; 
M – інерційна маса ( рухома маса системи); 
X – переміщення інерційної маси; 
A – прискорення вібрації. 
Із останнього рівняння можна визначити комплексний коефіцієнт 
перетворення або комплексну характеристику, що зв’язує пружні і інерційні 
властивості датчика: 
2

W()                                                   (4.42) 
 2
1    j  2    

де    - відносне значення частоти збуджуючої сили. 

o
Тоді амплітудно-частотна характеристика акселерометра описується: 
1 1
S ()  
a 2                                    (4.43) 
 2
o  2
  2
 2 
1   4   
 2  2
  
o  o
Через параметр η маємо: 
 
44 
2
2 
S ()  S ()                                (4.44) 
a a
 2 2  2
1   2    
10
1.1 10
10
1.097982 10 10
1.088 10
10
1.075 10
10
1.063 10
10
1.05 10
10
1.038 10
10
1.025 10
10
1.013 10
10
1 10
11
9.88 10
11
Sa(  ) 9.75 10
11
9.63 10
11
9.5 10
11
9.38 10
11
9.25 10
11
9.13 10
11
9 10
11
8.88 10
11
8.75 10
11
8.63 10
11
8.776105 10 11
8.5 10
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5
4 103.3 102.6 101.9 101.2 10 5000 2000 90010.6 102.3 10 3 10 3.7 104.4 105.1 105.8 106.5 107.2 107.9 108.6 109.3 10 1 10
 4  4
2.25 10 9.75 10
Рисунок 4.10 - Амплітудно - частотна характеристика перетворювача 
Фазочастотна характеристика ФЧХ перетворювача:  
  
 2    
  
o  2     
 ()  arctg    arctg 
a 2  
2                              (4.45) 
  1 
  
1
 2
  
o 
 
45 
1.5
1.35
1.2
1.05
0.9
0.75
0.6
0.45
0.3
0.15
a( )
 5  5  5  5  5  5  4  4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5
2 101.8 101.6 101.4 101.2 101 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 2 10 4 10 6 10 8 10 1 101.2 101.4 101.6 101.8 102 10
0.15
0.3
0.45
0.6
0.75
0.9
1.05
1.2
1.35
1.5
  
Рисунок 4.11 – Фазочастотна характеристика перетворювача 
При дії на масу m статичної сили, тобто при частоті збуджуючої сили ω = 
1
0, маємо η = 0, і статична чутливість S 
o 2 . 

o
Враховуючи цю обставину, можна виразити частотну характеристику 
коливного перетворювача у відносних координатах: 
S () 1
M()  a                                     (4.46) 
S
o  2
1  2 2 2
 4    
 
 
 
 
46 
2
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
M(  ) 1.2
M1 (  ) 1.1
1
M2 (  )
0.9
M3 (  )
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.202116
0.5 0.38 0.25 0.13 0 0.13 0.25 0.38 0.5 0.63 0.75 0.88 1 1.13 1.25 1.38 1.5 1.63 1.75 1.88 2
0.231031  (  ) 1.98687
 
Рисунок 4.12 - Графік АЧХ у відносних координатах при різних значеннях 
β = 0.6; 1; 0.1; 0.3. 
Із виразу 4.46, маємо, що при роботі в режимі віброметра, інерційна 
система, повинна мати власну частоту значно меншу ніж частоти вібрації 
досліджуваного об’єкту, тобто при η >>1.  
Тоді АЧХ прийме вид:  
2
S ()   S ()  1
x a . ФЧХ : φ(η)= -180º.                        (4.47) 
Переміщення інерційної маси:  
X(t)  X Sin (  t)
max                                                   (4.48) 
Тобто інерційна маса буде коливатися відносно досліджуваного об’єкту і 
відносно корпусу віброметра, закріпленого на досліджуваному об’єкті з 
 
47 
амплітудою, рівною амплітуді коливання досліджуваного об’єкту, але з 
відставанням по фазі на 180.  
Із виразу 4.47 маємо, що при роботі в режимі акселерометра, тобто при 
η≤1, АЧХ і ФЧХ приймуть вид:  
2
S ()  
a , ()  arctg(2   ) .                                 (4.49) 
Переміщення інерційної маси :  
2
 1
X  X  Sin (  t  )   a Sin   t  
max 2 2 max             (4.50) 
 
o o
де аmax – амплітуда прискорення досліджуваного процесу. 
 
4.4 Оцінка точності та надійності 
Похибки присутні при будь-яких вимірюваннях і відрізняються лише 
своєю величиною. Створення ідеального вимірювального пристрою є 
неможливим оскільки неможливо врахувати всі фактори, які впливають на її 
появу. Це і недосконалість технологій виробництва, неідеальна чистота матеріалів 
з яких виготовляють ті чи інші сенсори. Існують 2 фактори, які знаходяться в 
протидії один одному. Чим вища точність вимірювання приладу, тим вища його 
ціна і навпаки, прилад який має низьку точність вимірювання буде дешевим. 
На даному етапі розвитку науки, техніки та технології ще неможливо 
створити дешевий і в той же час високоточний прилад, похибка вимірювання 
якого була б близька до нуля. Але наука не стоїть на місці, постійно з’являються 
нові способи та методи, які дозволяють підвищити точність вимірювань і 
зменшити витрати на проведення цих вимірювань. Добре сприяє цьому 
інтегральна технологія виконання електронних схем – інтегральні мікросхеми. 
Інтегральні мікросхеми цифрові та аналогові дозволяють створювати 
вимірювальні пристрої які дешевші і мають вищу точність обробки вимірюваної 
інформації. 
Також одним з базових понять при визначенні якості системи є її 
надійність. Під надійністю розуміють властивість пристрою виконувати задані 
функції, зберігаючи свої експлуатаційні показники в заданих межах протягом 
 
48 
потрібного проміжку часу або потрібного напрацювання при дотриманні режимів 
експлуатації, правил технічного обслуговування, зберігання та транспортування. 
Надійність – це складне комплексне поняття, за допомогою якого оцінюють такі 
важливі характеристики пристроїв, як роботоздатність, довговічність, 
безвідмовність, ремонтопридатність, відновлюваність та ін. 
Надійність є однієї зі складових якості виробу. Вона характеризує 
властивість виробу виконувати задані функції, зберігаючи в часі значення 
встановлених експлуатаційних показників у необхідних межах, що відповідають 
заданим режимам і умовам використання, технічного обслуговування, ремонтів, 
збереження і транспортування. Як комплексна властивість, надійність, у 
залежності від призначення об'єкта й умов його експлуатації може включати 
наступні складові: безвідмовність, довговічність, живучість і ремонтопридатність. 
Кількісною характеристикою одного чи декількох властивостей надійності 
є показники безвідмовності, довговічності, ремонтопридатності, живучості і 
комплексні показники. 
Показники безвідмовності - імовірність безвідмовної роботи P(t), 
інтенсивність відмовлень (t), середній наробіток до відмовлення,  - відсотковий 
наробіток до відмовлення, середній наробіток до відмовлення, параметр потоку 
відмовлень. 
Імовірність безвідмовної роботи P(t) - імовірність того, що в межах 
заданого наробітку t0 відмовлення не виникає чи, що параметри не будуть 
виходити за межі заданих допусків протягом необхідного інтервалу часу в умовах 
експлуатації: 
 
P(t0) = 1 - F(t0),                                             (4.1) 
 
де F(t0) - функція розподілу наробітку до відмовлення. 
Оцінка показника P(t0) характеризує частку працездатних виробів у момент 
часу t0: 
 
 
49 
P(t0) = 1 – Ni / N,                                           (4.2) 
 
де t0 - час іспиту; 
m - число інтервалів часу t, через які контролювалася працездатність, m = 
t0/t; 
NІ - число виробів, що відмовили на і-ом інтервалі часу; 
N - загальне число випробуваних виробів. 
Інтенсивність відмовлень (t) визначають як умовну щільність імовірності 
виникнення відмовлення невідновленого об'єкта для розглянутого моменту часу 
за умови, що до цього часу відмовлення не виникло: 
 
(t) = f(t) / P(t).                                                  (4.3) 
 
Приблизно (t) = N* / N ∙ t. де N* - число виробів, що відмовили при 
іспитах протягом  інтервалу часу  t; N - число виробів, працездатних до початку 
іспитів. 
Функції P(t), F(t), (t) взаємозалежні, тому для їхнього визначення досить 
знати тільки одну. На практиці перевагу віддають інтенсивності відмовлень, тому 
що її простіше визначити експериментально. 
Для більшості об'єктів (деталей, виробів) залежність P(t) можна зобразити 
кривої [8], що має три ділянки: 0 < t < t1; t1 < t < t2; t > t2. 
Перша ділянка називається періодом  чи приробляння періодом ранніх 
відмовлень. Поява відмовлень у цьому періоді звичайно викликано 
конструктивними чи виробничими дефектами. 
Друга ділянка постійної інтенсивності (t) = const характеризує нормальну 
експлуатацію, на цій ділянці: 
 
P(t) = exp(-  ∙ t).                                        (4.4) 
 
Третя ділянка t - t2 називається періодом відмовлень зносу. 
 
50 
Середній наробіток до відмовлення tСР визначається як математичне 
чекання наробітку до першого відмовлення. Розрахунок надійності будемо 
виробляється для другої ділянки. 
Середній час безвідмовної роботи визначається по формулі: 
 
TСР = 1 / .                                                      (4.5) 
 
Інтенсивність відмовлень усієї системи визначається зі співвідношення: 
 
 = .                                                     (4.6) 
 
Для систем, елементи яких працюють в умовах сталості інтенсивності 
відмовлень, імовірність безвідмовної роботи може бути визначена по формулі: 
 
P = n
i=1 П Pi = exp(- t ∙ i) = exp(- ∙ t).                    (4.7) 
 
Як видно з приведених залежностей надійність визначається інтенсивністю 
відмовлень i окремих елементів системи й у період її нормальної експлуатації. 
Вихідні дані і результати розрахунків приведені в додатку Д. 
 
 
51 
5 Спеціальний розділ  
 
5.1 Технологічний розділ 
Тип виробництва визначає спосіб виготовлення фотошаблонів, побудова 
технологічного процесу і ступінь його деталізації. У залежності від розміру 
виробничої програми, технічних і економічних умов виробництво буває 
одиничне, серійне і масове. 
Одиничне виробництво фотошаблонів характеризується широкою 
номенклатурою і малим обсягом випуску, виготовлення фотошаблонів у 
серійному і масовому виробництвах - застосування устаткування, що дозволяє 
механізувати й автоматизувати виробничі процеси. 
При ухваленні рішення про методи і послідовність виготовлення 
фотошаблонів, необхідно провести оптимізацію варіантів технологічного процесу 
для визначеного типу виробництва. 
Відповідно до стандарту тип виробництва характеризується коефіцієнтом 
закріплення операції: 
 
О
К 
ЗО
 р ,                                                        (5.1) 
 
де О - сума операцій; 
р - сума робочих місць. 
Виходячи з приведеної формули необхідно установити співвідношення 
між трудомісткістю виконання операцій і продуктивністю робочих місць. На 
даному етапі проектування нормування операцій можна виконати, 
використовуючи орієнтовані норми типового технологічного процесу. 
Спираючи на вихідні дані і містячи в розпорядженні штучного чи штучно-
калькуляційного часу, визначають кількість одиниць оснащення: 
N T
ШТІ штк 
m 
i
60  F 
g з.н ,                                                   (5.2) 
 
52 
 
де N - річна програма випуску; 
Тшт(к) - штучне чи штучно-калькуляційний час, хв.; 
Fg - відповідної дійсності річний фонд часу, год.; 
з.н. - нормативний коефіцієнт завантаження оснащення. Завантаження 
оснащення залежить від типу виробництва - можна прийняти середнє значення 
з.н.=0,8. 
Після розрахунку значень m по всіх операціях установлюють кількість 
робочих місць, округляючи до найближчого більшого цілого числа значення m. 
Для операцій, що не вимагають через міру години, значення m може бути 
значно менше одиниці, Це означає, що номенклатура робіт на таких робочих 
місцях має бути розширена. Кількість операцій, що можна виконувати на кожнім 
робочому місці, визначається за формулою: 
 

з .н.
О 
 .
з .ф . ,                                                         (5.3) 
 
де з.ф. - коефіцієнт фактичної завантаженості оснащення, 
 
m
 
з.ф.
p .                                                       (5.4) 
 
Після розрахунків кількості робочих місць і кількості операцій за 
формулою (5.1) визначають кз. о.. 
При масовому і крупносерійному виробництвах кз.о.. = 1  10, при 
середньосерійному кз.о. = 10  20, при малосерійному кз.о..= 20  40, при 
одиничному виробництві кз. о.. не регламентується. 
 
 
53 
Первинний фотошаблон одержують хімічною обробкою експонованих 
фотопластинок, проконтролювавши спочатку температуру робочих розчинів 
термометром. Відлік часу обробки проводять за секундоміром. 
Для виготовлення робочого фотошаблону використовують первинний 
фотошаблон. Робочий фотошаблон одержують копіюванням первинного 
фотошаблона на контактно-копіювальному верстаті і подальшій хімічній обробці 
матеріалу. Перед копіюванням первинний фотошаблон необхідно протерти з боку 
підкладки серветкою, змоченої в етиловому спирті для виділення пилу, бруду, 
жирових плям. Стекло контактно-копіювального верстата необхідно протерти 
антистатичною серветкою. Копіювання, а також висвітлення для копіювання й 
обробки пластин і фототехнічної плівки виконуються за допомогою фото ліхтаря 
з червоним світлофільтром. Діазографічні плівки копіюють і обробляють при 
звичайному висвітленні, не допускаючи висвітлення матеріалу сонячними чи 
променями ультрафіолетовим випромінюванням. При копіюванні первинний 
фотошаблон і матеріал додають один до одному і переносять до контактно-
копіювального верстата, причому емульсійний шар первинного фотошаблона і 
світлочутливий шар матеріалу повинні безпосередньо стикатися. 
Експонування проводять через первинний фотошаблон на світлочутливий 
матеріал. Виготовлення робочого фотошаблону на фототехнічній плівці ФТ-41П 
здійснюється шляхом експонування на контактно-копіювальному верстаті 
крапковим джерелом білого світла і хімічної обробки експонованого матеріалу. 
Виготовлення робочого діапозитива на діазографічній плівці ТМ 
здійснюється в такий спосіб. Після експонування діазографічна плівка 
обробляється в проявочному пристрої в парах аміаку до максимального насичення 
кольору фото зображення. 
Стабільність і точність пристрою забезпечується базовою гранітною 
плитою, гранітними напрямними по осях Х и У і газовими направляючими, що не 
піддаються тертю і зносу. 
Фотоголівка з модуляторним джерелом світла з 12 окремих оптичних 
систем, укладених у єдиний блок, дозволяє одержати однакову оптичну щільність 
 
54 
ліній, масок, зображень. Вакуумним притиском фотоматеріалу в сполученні з 
автоматичним піджимом досягається базування світлочутливого шару до поверхні 
креслення. 
Пристрій працює від промислової мережі стиснутого повітря, має 
індивідуальну систему очищення повітря. В умовах експлуатації пристрій, що 
фоторозраховує, повинен знаходитися в темному приміщенні, а система 
керування - у світлому. 
Пристрій допускає роботу в три зміни й обслуговується одним оператором. 
 
Таблиця 5.1 – Параметри пристрою 
№ Назва параметра Одиниця Величина 
п/п виміру 
1 Напруга мережі перемінного струму 50 Гц В 380/220 
2 Розміри креслення мм 380х400 
3 Швидкість переміщення по координатах X і Y м/с 0,4 
4 Прискорення по координаті X м/с 3 
5 Прискорення по координаті Y м/с 6 
6 Хід столу мм 420х500 
7 Похибка позиціонування мм  0,01 
8 Похибка повторного позиціонування мм  0,005 
9 Кількість масок шт. 12 
10 Загальна кількість символів шт. 44 
11 Мінімальна товщина лінії мм 0,125 
12 Розміри контактних площадок мм 1,3х3,5 
13 Розміри символів мм 2х1 
14 Обсяг внутрішньої пам'яті керуючої програми кбайт 64 
15 Тиск підводимого повітря кПа 500...600 
16 Потужність кВт 2 
17 Маса пристрою кг 600 
 
55 
18 Маса ЭЧПУ "Микролид" кг 300 
19 Зовнішній канал уведення програми з  вищого 
перфострічки чи ЕОМ  рангу 
20 Ручне введення і редагування програми  перфорато
р чи ЕОМ 
21 Буквено-цифрова індикація на електронно- знаків 512 
променевій трубці (16х32). 
 
Пробка фіксуючих отворів здійснюється на спеціальному пристрої, що має 
два орієнтуючих знаки, рознесених на відстань, рівна відстані між реперними 
знаками фотошаблона. Фотошаблон розміщають у пристрої для пробки. 
Здійснюють вакуумний притиск фотошаблона і пробивають отвору, притискаючи 
пуансон пристрою. 
Оскільки фотошаблон має лінійні деформації, обумовлені частковим 
роздубленням фотографічної емульсії під час фотохімічної обробки, зміною 
температури і вологості в приміщенні, то відстань між реперними знаками може 
не збігатися з відстанню між знаками пристрою, що орієнтують. У такому 
випадку вибирають середнє значення. Для цього горизонтальні штрихи реперних і 
настановних знаків зміщають, а відстань між прямовисячими штрихами 
вирівнюють між собою зрушенням фотошаблону. 
Фотографічне зображення в межах поля друкованої плати (ДП) повинне 
бути різким, границі зображення повинні бути чіткими, без розмитостей і ореолів. 
Фотошаблон повинний мати два чи більш реперні знаки, 
використовуваних для пробивання фіксуючих отворів у робочих фотошаблонах. 
Несполучення двох робочих фотошаблонів однієї плати повинне бути не 
більш 0,24 мм плат класу I і 0,14 мм плат класу II. 
Зазор між елементами провідного рисунка на фотошаблоні повинний бути 
не менш 0,325 мм. 
 
56 
Первинний фотошаблон повинний бути отриманий на автоматизованому 
пристрої, що розкреслює, методом розкреслювання. Відхилення центрів 
контактних площадок від вузлів координатної сітки складає: 
- для первинних фотошаблонів ± 0,10 мм плат класу І, ± 0,05 мм плат класу 
II; 
- для робочих фотошаблонів ± 0,12 мм плат класу І, ± 0,07 мм плат класу II. 
Розміри елементів топології фотошаблона і відстані між ними повинні 
відповідати вимогам технічного завдання на друковану плату з урахуванням 
технологічних допусків на виготовлення друкованої плати. 
Технологічні допуски на виготовлення друкованої плати встановлює 
підприємство - виготовлювач друкованих плат у залежності від застосовуваної 
технології. 
Граничні відхилення розмірів елементів топології фотошаблона в 
залежності від класу точності друкованої плати за стандартом приведені в таблиці 
5.2. 
 
Таблиця 5.2 - Граничні відхилення розмірів елементів топології 
фотошаблона в залежності від класу точності друкованої плати 
Клас точності друкованої плати 1 2 3 4 5 
Граничні відхилення розмірів  0,10  0,05  0,03  0,02  0,01 
елементів топології фотошаблона 
 
Граничні відхилення розмірів елементів топології фотошаблона, зазначені 
в таблиці 5.2, є підставою для розрахунку технологічного допуску на 
виготовлення еталонного фотошаблона. 
Позиційні допуски розташування елементів топології фотошаблона в 
діаметральному вираженні в залежності від класу точності друкованої плати 
представлені в таблиці 5.3. 
 
 
57 
Таблиця 5.3 - Позиційні допуски розташування елементів топології 
фотошаблона в діаметральному вираженні в залежності від класу точності 
друкованої плати 
Клас точності друкованої плати 1 2 3 4 5 
Позиційні допуски розташування 0,15 0,10 0,07 0,05 0,03 
елементів топології фотошаблона, мм 
 
Якість сполучення комплекту фотошаблонів визначається значенням 
несполучення по контактних площадках. Значення несполучення комплекту 
фотошаблонів у залежності від класу точності друкованої плати не повинне 
перевищувати значень, зазначених у таблиці 5.4. 
 
Таблиця 5.4 - Величина несполучення комплекту фотошаблонів 
Клас точності друкованої плати 1 2 3 4 5 
Величина несполучення комплекту 0,15 0,10 0,07 0,05 0,03 
фотошаблонів, мм 
 
Ширина технологічного полючи, розташованого по контурі робочої зони 
фотошаблона, не повинна бути більш 30 мм. 
Оптична щільність емульсійних фотошаблонів повинна бути не менш 3,0 
на непрозорих ділянках і не більш 0,1 на прозорих ділянках. 
Копіювальна щільність діазотипних фотошаблонів на довжині хвилі 437 
нм повинна бути не менш 3,0 на непрозорих ділянках і не більш 0,1 на прозорих 
ділянках. 
Розміри дефектів зовнішнього бачення - (проколи, крапки, подряпини) у 
робочій зоні фотошаблона нс повинні бути більш 0,05 мм для друкованих плат 1, 
2 і 3-го класів точності і більш 0,02 мм для друкованих плат 4 і 5-го класів 
точності. 
 
58 
Розміри дефектів зовнішнього вигляду в робочій зоні фотошаблона з 
розмірами провідників і відстаней між ними від 0,05 до 0,08 мм не повинні бути 
більш 0,01 мм. 
Фотошаблони варто поставляти комплектами з паспортом на кожен 
комплект фотошаблонів. 
Маркування фотошаблона повинне містити: умовну позначку 
фотошаблона; дату виготовлення; порядковий номер зміни провідного рисунка. 
Маркування фотошаблона варто розташовувати на робочій поверхні 
фотошаблона поза робочою зоною. 
Маркування фотошаблона повинне бути виконане автоматизованим 
способом. 
У технічно обґрунтованих випадках допускається виконувати 
маркірування вручну. Цифри і букви маркувального напису повинні бути чітко 
позначені. 
Технологічний процес і режими виготовлення фотошаблонів друкованих 
плат представлені в таблиці 5.5. 
 
Таблиця 5.5 - Технологічний процес і режими виготовлення фотошаблонів 
друкованих плат 
Порядок операцій і їхнє Тривалість обробки, хв. 
фототехнічної плівки 
найменування 
прямим методом 
методом звертання 
1. Прояв 220,5 1 5 4 6 
2. Промивання в проточній воді 1822 - 0,250,5 0,250,5 68 
3. Зупинка прояву 1822 2 0,51 - - 
4. Відбілювання 1822 3 - - 34 
5. Засвічування* - - - - - 
6. Промивання в непротічній воді 1822 - - - 57 
7. Промивання в проточній воді 1822 - - - 23 
8. Освітлення 1822 4 - - 1,52 
 
59 
Температура 
С 
№ розчину 
фотопластин 
9. Промивання в проточній воді 1822 - - - 23 
10. Прояв 1822 1 - - 34 
11. Промивання в проточній воді 1822 - 0,250,5 - 0,51 
12. Фіксування 1822 5 1015 810 810 
13. Промивання в непротічній воді 1822 - 57 57 57 
14. Ослаблення (при необхідності, 1822 6 - - візуально 
1д5л.я  Пвиродмалиевнаннян яза вг аплрьонтооїч внуіайл ві)о ді 1822 - 1520 1520 1520 
16. Змочування в ОП-7 чи ОП-10      
17. Сушіння ** - У В підвішеному стані 
вертикальн
ому 
18. Контроль  -    
положенні 
Виготовлення фотошаблонів способом фотографічного зменшення 
оригіналу рисунка плати, виконаного вручну, не задовольняє вимогам підвищеної 
точності в зв'язку зі зростанням щільності друкованого монтажу, кількості типів 
плат на виріб, появою багатошарових плат. 
Прагнення задовольнити вимогам підвищеної точності, зберігати і навіть 
скоротити терміни виготовлення фотошаблонів плат вимагає нових методів 
роботи. 
Автоматизоване виготовлення фотошаблонів включає: автоматизоване 
креслення світловим променем (М 1:1) рисунка фотошаблона по робочій програмі 
травлення; напівавтоматизовану підготовку і виготовлення цих програм 
керування. 
Фотошаблони виготовляються в залежності від щільності провідного 
рисунка або однократним, або подвійним, або потрійним кресленням, тобто 
провідні спробні рисунки плати викреслюються на фотопапері, а потім 
контрольний рисунок плати на фотопластинці чи фототехнічній плівці.  
Для формування елементів друкованого монтажу використовується 
магазин масок, що включає №- масок - світлових плям. Геометричні розміри 
масок для розкреслення провідного рисунка повинні враховувати технологічні 
припуски і допуски, що забезпечують виготовлення ДП на конкретному 
виробництві. 
 
60 
Для нанесення елементів провідного рисунка, розташованого не в кроці 
1,25, допускається виготовлення масок, зміщених щодо центра в магазині масок. 
 
Таблиця 5.6 – Параметри провідного рисунка 
Елементи Форма Розміри, мм 
провідного 
рисунка 
Контактні Квадрат 1,51,5; 2,02,0; 2,92,9 
площадки Коло 1,90;  3,40 
Восьмикутник 2,70 
Провідники Квадрат 0,35; 0,50 
Восьмикутник 0,75; 1,00; 1,50 
Шипи й екрани Два однакових за формою і 2,50 
розміром, але орієнтованих по- 2,700,40 
Цифри Орітз н0о дмоу  9щ одо центра масок 20,,4001,20,7 0 
Букви C, R, K, A, V, B, L, E, Z, D, T, E 2,01,0 
Знак " + " 2,02,0 
 
Комплект документів на технологічний процес виготовлення друкованої 
плати знакогенератора автоматичного вимірювача лінійних розмірів для 
діагностики травм і захворювань ока а представлений в Додатку Г. 
 
5.2 Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають у приміщенні 
електротехнічної лабораторії 
В даній роботі проводиться розробка вимірювача віброприскорень. 
Подібні роботи пов’язані з опрацюванням великої кількості теоретичного 
матеріалу та складних математичних розрахунків, що потребує використання 
сучасної комп’ютерної техніки. 
Робота з комп'ютером характеризується значною розумовою напругою, 
високою напруженістю зорової роботи і досить великим навантаженням на м'язи 
рук при роботі з клавіатурою ПК, тому велике значення має раціональна 
 
61 
конструкція і розташування елементів робочого місця, а також дотримання 
правильного режиму праці і відпочинку. 
Необхідно також звернути увагу на фактори виробничого середовища, які 
безпосередньо впливають на працюючого, і як наслідок призводять до зміни його 
продуктивності. Фізичне навантаження слід віднести до категорії Ιа, оскільки 
робота здійснюється сидячи та без фізичної напруги. 
Дослідження проводяться в приміщенні з наступними геометричними 
розмірами: довжина – 7 м, ширина – 5 м та висота – 3 м. Площа всього 
приміщення складає 35 м2, а об’єм – 105 м3. В приміщенні працюють чотири 
працівника, тому на одного працюючого припадає 8,75 м2 площі та 26,25 м3 
об’єму, що відповідає вимогам ДСанПіН 3.3.2.-007-98, відповідно до яких площа, 
виділена для одного робочого місця з ПК, повинна складати не менше 6 м2, а 
об’єм – не менше 20 м3. 
Мікроклімат виробничих приміщень – це сукупність параметрів повітря у 
виробничому приміщенні, які діють на людину у процесі праці, на його робочому 
місці, у робочій зоні. Значні коливання параметрів мікроклімату можуть привести 
до порушення терморегуляції організму (здатність організму утримувати постійну 
температуру), що приводить до порушення системи кровообіг, загальної слабкості 
і т.п. 
Мікроклімат формують наступні параметри: температура повітря, 
вологість повітря, швидкість руху повітря. 
Нормування параметрів мікроклімату  здійснюється згідно з ДСН 
3.3.6.042-99. Встановлені оптимальні та допустимі параметри мікроклімату. 
Оптимальні – найбільш сприятливі (комфортні) забезпечують роботу системи 
терморегуляції без напруги. Допустимі – допускають напругу реакції 
терморегуляції організму у межах її пристосування без шкоди для здоров'я. 
Основна роль у підтриманні оптимального теплового стану відводиться 
терморегуляції, тобто процесам утворення тепла і віддачі тепла в зовнішнє 
середовище, спрямованих на забезпечення термостабільності організму, тобто 
підтримка внутрішньої температури тіла на постійному рівні. 
 
62 
 
Таблиця 5.1 - Нормативні параметри мікроклімату для категорії роботи Iа 
Відносна 
Температура, Швидкість руху повітря,  
Період  Категорія вологість, 
С м/с 
року роботи % 
Опт. Доп. Опт. Опт. Допуст. 
Холодний Iа 22-24 21-25 40-60 0,1  0,1 
Теплий Iа 23-25 22-28 40-60 0,1 0,1-0,2 
 
Фактичні значення даних параметрів становлять відповідно:  
- температури повітря: 
- в теплий період року – 25-28 °С ; 
- в холодний період року – 22-24 °С . 
- вологість повітря: 
- в теплий період року – 50-52 %; 
- в холодний період року – 45-50 %. 
- швидкість руху повітря: 
- в теплий період року – 0,1-0,12 м/с; 
- в холодний період року – 0,1-0,14 м/с. 
Видно, що вище наведені фактичні значення задовольняють вимогам ДСН 
3.3.6.042-99. 
Для підтримки оптимальної температури в теплий період року 
використовується 1 кондиціонер типу Fujitsu General Nocria AWHZ14L з площею 
обслуговування – 42 м2  та продуктивністю охолодження – 4,2 кВт.  
В приміщенні використовується система центрального водяного опалення. 
Для забезпечення оптимальної температури використовуються 2 радіатора типу 
KORADO 11-К. 
Серед факторів зовнішнього середовища, що впливають на організм 
людини в процесі праці, освітлення займає одне з перших місць. Адже відомо, що 
майже 90% всієї інформації про довкілля людина одержує через органи зору. Під 
 
63 
час здійснення будь-якої трудової діяльності втомлюваність очей, в основному, 
залежить від напруженості процесів, що супроводжують зорове сприйняття.  
Світло впливає не лише на функцію органів зору, а й на діяльність 
організму в цілому. При поганому освітленні людина швидко втомлюється, 
працює менш продуктивно, зростає потенційна небезпека помилкових дій. 
Врешті, погане освітлення може призвести до професійних захворювань, 
наприклад, таких як робоча міопія (короткозорість), спазм акомодації. 
Для створення оптимальних умов зорової праці слід враховувати не лише 
кількість та якість освітлення, а й кольорове оточення. Так, при світлому 
пофарбуванні інтер'єру завдяки збільшенню кількості відбитого світла рівень 
освітленості підвищується на 20-40% (при тій же потужності джерел світла), 
різкість тіней зменшується, покращується рівномірність освітлення.  
При надмірній яскравості джерел світла та оточуючих предметів може 
відбутись засліплення працівника. Нерівномірність освітлення та неоднакова 
яскравість оточуючих предметів призводять до частої переадаптації очей під час 
виконання роботи і, як наслідок цього – до швидкого втомлення органів зору. 
Тому поверхні, що добре освітлюються і знаходяться в полі зору, краще 
фарбувати в кольори середньої світлості, коефіцієнт відбивання яких знаходиться 
в межах 0,3-0,6 і, бажано, щоб вони мали матову або напівматову поверхню.  
У відповідності з ДСТУ 8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для 
виконання робіт у положенні сидячи. Загальні ергономічні вимоги» кожне робоче 
місце розташоване біля вікна таким чином, щоб світло падало на робоче місце з 
лівого (рекомендовано) або правого боку. 
Освітлення робочого приміщення проектується згідно з ДБН В.2.5-28-2018 
«Природне і штучне освітлення». Природне освітлення здійснюється через 2 вікна 
розмірами 1,5×2 м та загальною площею – 6 м2. З метою регулювання природного 
освітлення приміщення, на вікна встановлені жалюзі. 
Вибір величини штучного освітлення залежить від найменшого об’єкту 
розрізнення. Оскільки робота пов’язана з використанням ПК, то найменшим 
об’єктом розрізнення є крапка на екрані монітора, розмір якої приблизно 
 
64 
знаходиться в межах 0,15-0,3 мм. Отже, робота працівника відповідає розряду – ІІ 
г, тобто дуже точній зоровій праці. Контраст об’єкта з фоном – великий. 
Нормативне значення КПО ен = 1,5 %, а фактичне значення – 29-32 %,  що 
задовольняє нормам. 
Штучне освітлення приміщення здійснюється 4 світильниками ORO418N, 
кожен з яких має 2 люмінесцентні лампи типу TL-D. Фактичне значення величини 
штучного загального освітлення дорівнює 225 лк, тоді як для даного типу зорової 
праці повинна складати 400 лк. Отже, система штучного освітлення на робочому 
місці потребує модернізації. 
Шум також являється важливим фактором виробничого середовища, який 
може негативно впливати на працівника. Інтенсивний шумовий вплив в організмі 
людини може викликати специфічні і неспецифічні зміни.  
 До специфічних змін відносять враження органу слуху, а саме: зниження 
адаптації, слухова втома, приглухуватість.  
В основі цих проявів шумової патології лежить повільно прогресуюче 
зниження слуху по типу неврита, що підіймається (тобто в основі професійного 
зниження слуху лежить нейросенсорне зниження слуху внаслідок враження 
звуко-сприймаючого апарату.  
 До числа неспецифічних змін відносять: нейроциркуляторну дистонію, 
дисфункції шлунку, зниження імунологічної реактивності, зниження 
працездатності і виробничої діяльності, передчасна втома, зниження 
розбірливості і внятності мови та інші неприємні відчуття. 
В приміщенні основним джерелом шуму являються вентилятори 
системних блоків ПК. Згідно вимог ДСН 3.3.6.037-99 «Державні санітарні норми 
виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку» нормативне значення 
еквівалентного рівня шуму становить 50 дБА. Шум від вентиляторів становить - 
30 дБА, а отже відповідає вимогам. 
Внаслідок дії електромагнітних полів на організм людини виникають 
функціональні зміни центральної нервової системи. При цьому спостерігається 
підвищена втомлюваність, біль голови. Первинний прояв дії електромагнітної 
 
65 
хвилі – нагрівання, яке призводить до пошкодження тканин і органів. Поля 
надвисоких частот впливають на очі, викликаючи виникнення катаракти. 
Багаторазовий вплив випромінювання малої інтенсивності призводить до стійких 
функціональних змін центральної нервової системи. 
Головними джерелами електромагнітного випромінювання в приміщенні є 
системний блок ПК та монітор. Випромінювання від яких відповідає нормам ДСН 
3.3.6.096-2002. 
В даному приміщенні використовується електропроводка прихованого 
типу. ПК живляться напругою 220 В і споживають не менше 1000 Вт. Оскільки 
ПК має металевий корпус, то для захисту людини від ураження електричним 
струмом в приміщенні передбачена магістраль захисного заземлення згідно ДСТУ 
Б В.2.5-82-2016 «Захисні заходи електробезпеки в електроустановках будинків і 
споруд».  
Для даного приміщення категорія за вибухопожежонебезпечністю 
відповідає типу В (пожежонебезпечна), а клас пожежі – Е (горіння установок і 
обладнання, які знаходяться під напругою), А2 (горіння твердих матеріалів яке не 
супроводжується тлінням). 
В приміщенні знаходяться 2 переносних вуглекислотних вогнегасника 
ВВК-5 (при використанні яких слід пам’ятати, що при гасінні пожежі в 
приміщенні необхідно враховувати можливість зниження вмісту кисню в повітрі 
приміщення нижче граничнодопустимого значення), які використовуються для 
гасіння легкозаймистих та  горючих рідин, твердих горючих речовин та 
матеріалів, електропроводок, що знаходяться під напругою до 1000 В, що 
відповідає Правилам експлуатації та типовим нормам належності вогнегасників, 
згідно якого на кожні 20 кв. м. площі приміщення повинен припадати 1 
вогнегасник. 
Для попередження пожеж використовується звукова система оповіщення 
та 4 димових пожежних оповісника ИП-212-54Р, відповідно ДБН В.2.5.56-2014. 
Конструкція робочого місця забезпечує підтримання оптимальної робочої 
пози та відповідає сучасним вимогам ергономіки і забезпечує оптимальне 
 
66 
розміщення на робочій поверхні використовуваного обладнання (дисплея, 
клавіатури, принтера) і документів. Саме ж робоче місце розташоване відносно 
світових прорізів, щоб природне світло падало збоку.  
Висота робочої поверхні робочого столу становить 800 мм, а ширина і 
глибина – 1200 і 800 мм відповідно, що в свою чергу дозволяє забезпечити 
можливість виконання операцій у зоні досяжності моторного поля та розташувати 
дисплей на оптимальній відстані від очей користувача, що становить 600...700 мм, 
але не ближче ніж за 600 мм. 
Робочий стілець – підйомно-поворотний, регульований за висотою та  
кутом нахилу спинки, поверхня сидіння – м'яка, що дозволяє уникнути 
передавлення судин на ногах, передній край – заокруглений. Регулювання за 
кожним із параметрів здійснюється незалежно, легко і надійно фіксується. 
Висота поверхні сидіння регулюється в межах 400-500 мм, загальна висота 
– 1000 мм, ширина і глибина – по 500 мм.   
Отже, організація робочого місця повністю задовольняє ергономічним 
вимогам ДСТУ 8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання 
робіт у положенні сидячи. Загальні ергономічні вимоги». 
Для того, щоб уникнути нещасні випадки на робочому місці складені та 
проведені інструктажі з техніки електробезпеки працівників (вступний, 
первинний, повторний, позаплановий, цільовий), з врахуванням ДНАОП 0.00-
1.21-98 «Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів», 
відповідно до НПАОП 0.00-4.12-05. 
Отже детальний аналіз приміщення та безпосередньо робочого місця 
показав, що всі фактори виробничого середовища, крім штучного освітлення 
відповідають своїм нормативним значенням. Тому необхідною є модернізація 
загального штучного освітлення для забезпечення відповідності нормі, тобто 
величина штучного загального освітлення повинна складати не менше 400 лк. 
Для нормальної зорової роботи необхідно створювати такі умови, щоб не 
виникали професійні захворювання або виробничий травматизм. Освітлення має 
 
67 
відповідати встановленим нормативам та характеру зорової виробничої 
діяльності: 
- забезпечувати достатню рівнозмінність та постійність освітлення 
відсутність умов переадаптації органів зору; 
- не створювати сліпучої дії від джерела світла і предметів, що знаходяться 
в полі зору; 
- не створювати на робочих поверхнях різких та глибоких тіней, бути 
рівномірним на площині, що освітлюється. 
Раціонально виконане освітлення виробничих приміщень надає 
позитивного психофізіологічного впливу на працюючих, сприяє підвищенню 
якості продукції та продуктивності праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і 
травматизм на виробництві, зберігає високу працездатність в процесі праці. 
Розрахунок штучного освітлення виконується за методом коефіцієнту 
використання світлового потоку. Основною задачею розрахунку штучного 
освітлення є визначення необхідної кількості світильників N для забезпечення 
нормативного рівня штучного освітлення за формулою: 
 
E  S  z K
N  Н З ,
F 
Л                                          (5.1) 
 
де ЕН – нормоване загальне штучне освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2018); 
КЗ – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі 
експлуатації (для заданих приміщень КЗ = 1,5); 
S=A·B – площа приміщення, що освітлюється, м2 (А – довжина 
приміщення, В – ширина приміщення); 
z – коефіцієнт мінімального освітлення; 
FЛ – світловий потік лампи ; 
 – коефіцієнт використання світлового потоку, відн. од.  
Вибір величини штучного освітлення залежить від найменшого об’єкту 
розрізнення. Оскільки робота пов’язана з використанням ПК, то найменшим 
 
68 
об’єктом розрізнення є крапка на екрані монітора, розмір якої приблизно 
знаходиться в межах 0,15-0,3 мм. Контраст об’єкта з фоном – великий, оскільки 
він переважно буде між білим та чорним кольором. Фон – поверхня, на якій 
розглядається найменший об’єкт розрізнення буде світлим (ρ > 0,4).  
Згідно з ДБН В.2.5-28-2018 «Природне і штучне освітлення» робота 
працівника відповідає розряду – ІІ г, тобто дуже точній зоровій праці, а рівень 
загального штучного освітлення має бути не менший ніж 400 лк. 
Відповідно до приміщення для загального штучного освітлення обираємо 
світлодіодний світильник з підвищеним світловим потоком типу LL-ДВО-01-030-
21. Даний світильник призначений для установки в офісних і інших громадських 
приміщеннях (підприємства, установи, торговельні центри, торговельні точки та 
ін). Світильник ідеально підходить для застосування в приміщеннях з 
підвищеними вимогами до освітленості, або з великою кількістю світильників на 
площу стелі.  
 
Рисунок 5.1 - Загальний вигляд світильника LL-ДВО-01-030-21 
 
Переваги світильника: 
- економія електроенергії в 3 рази в порівнянні з люмінесцентними 
світильниками типу ЛВО 4х18; 
- не вимагає додаткового обслуговування; 
- не потребує спеціальної утилізації; 
 
69 
- відсутність шкідливих для очей пульсацій світлового потоку; 
- високий індекс кольоропередачі; 
- робочий ресурс світильника - більше 50 000 годин; 
- весь ланцюжок світлодіодів захищений діодами Зенера, що гарантує 
безперебійну роботу світильника, навіть при перегорання будь-якого зі 
світлодіодів; 
- тонка конструкція корпусу дозволяє здійснювати монтаж у 
важкодоступних місцях. 
Насамперед слід відзначити застосування тільки високоякісних 
світлодіодів, таких світових виробників як OSRAM OS (Німеччина) і CREE 
(США). У світильнику LL встановлено світлорозсіюче скло, що забезпечує 
рівномірний розподіл світла на поверхні і комфортну незасліпляючу освітленість. 
Ефективність використання світлового потоку світлодіодів 100%.  
У джерелі живлення (ДЖ) нового покоління застосовується коректор 
коефіцієнта потужності сosφ =  0,9.  
Також слід відмітити опціонну систему контролю освітлення SLC (System 
Light Control), яка дозволяє домогтися додаткової економії електроенергії в 30% 
за рахунок автоматичного регулювання освітленості в активних і неактивних 
зонах. 
Технічні параметра світильника відображені в таблиці 5.2.  
Визначимо індекс приміщення і: 
 
A B
i  ,
(H  0,8)  ( A  B)                                       (5.2) 
 
7 5 35
i    1,32
(3  0,8)  (7  5) 26,4  
 
де А, В і Н – довжина, ширина та висота приміщення, м 
 
70 
Коефіцієнт використання світлового потоку  в залежності від групи 
світильника та індексу приміщення буде дорівнювати η=0,63. 
ЕН = 400 лк, S = 35 м2, z = 1,15 (для світлодіодних світильників), КЗ = 1,4, 
FЛ = 2000 лм, η=0,63. 
Після визначення усіх параметрів необхідно розрахувати кількість 
світильників для загального штучного освітлення NЗ: 
400  35 1,15 1,4
N   17,8
З
2000  0,63  
 
Отриману кількість N округлюємо до цілого значення в більшу сторону, 
тобто: NЗ = 17,8 ≈ 18 світильників. 
 
Таблиця 5.2 - Технічні параметри світильника LL-ДВО-01-030-21 
 
 
71 
 
Рисунок 5.2 – Діаграма розподілу сили світла світильника загального 
освітлення типу LL-ДВО-01-030-21 
 
 
Рисунок 5.3 - Діаграма світлового розподілу світильника загального 
освітлення типу LL-ДВО-01-030-21 
 
Вибір перетину дроту для освітлювальної мережі 
Для живлення освітлювальної мережі використовується напруга 220 В. 
Перетин дроту повинен задовольняти таким вимогам: 
 
72 
- дроти повинні допускати протікання по ним розрахункового струму 
освітлювального навантаження, не нагріваючись вище допустимої температури; 
- напруга на джерелах світла повинна бути не нижче мінімальних значень; 
- механічна міцність дротів повинна бути достатньою для даного типу 
електропроводки.  
Розрахуємо встановлену потужність освітлення як суму потужностей усіх 
світильників (загального і місцевого штучного освітлення). 
 
n
P  P  P  N  30 18  540 Вт ,
ВЗ i iЗ З
i1                         (5.3) 
 
PіЗ – потужність світильника загального освітлення, 
NЗ – кількість світильників загального освітлення. 
Розрахункове навантаження освітлювальної мережі визначили за 
формулою: 
 
P  P K .
p вз c  
 
Оскільки коефіцієнт попиту для невеликих виробничих приміщень KС = 1, 
то РР = РВ = 540 Вт. 
Визначимо розрахунковий струм світильників загального та місцевого 
освітлення за формулою: 
 
P
I  РЗ ,
РЗ
U  cos
ф                                           (5.4) 
 
PР – розрахункове навантаження освітлювальної мережі, Вт; 
UФ = 220 В – фазна напруга; 
сos φ – коефіцієнт потужності навантаження, для люмінесцентних та 
світлодіодних світильників cos φ = 0,9. 
 
73 
540
I   2,73 А,
РЗ
220  0,9  
 
Відповідно значенню розрахункового струму допустимий мінімальний 
перетин дроту з мідними жилами, яким можливо провести з’єднання світильників 
в освітлювальну мережу для забезпечення пожежної безпеки, становить 1,0 мм2. 
За механічною міцністю для з’єднання світильників загального освітлення 
всередині приміщення, рекомендується використовувати дроти перетином не 
менше 0,5 мм2. Тому за механічною міцністю усі дроти перетином 1 мм2 та 
більше є задовільними. 
 
5.3 Економічний розділ 
Як показує досвід експлуатації та контролю роторних механізмів різних 
типів (вентиляторів, компресорів, насосних агрегатів, потужних електродвигунів, 
генераторів тощо), основні причини, що призводять до виходу цих механізмів з 
ладу, пов'язані з підвищеними динамічними навантаженнями, що діють на 
підшипникові вузли і що призводять до передчасних пошкоджень та руйнувань. 
Величини вказаних динамічних навантажень насамперед залежать від 
якості балансування та центрування роторів. 
Аналіз формули розрахунку допустимого рівня залишкового дисбалансу, 
наведеної у роботі [1], показує, що збільшення фактичного рівня залишкового 
дисбалансу механізму вдвічі по відношенню до допустимого скорочує термін 
служби підшипників у 8 разів. 
На практиці якість балансування та центрування механізмів зазвичай 
оцінюється за рівнем вібрації, що вимірюється на його підшипникових вузлах. 
Дослідження вітчизняних та зарубіжних фахівців [1] показали, що тривала 
експлуатація підшипників машин можлива при рівнях вібраційного навантаження 
за прискоренням, що не перевищує 0.1 g або відповідно 2 - 6 мм/сек за середнім 
квадратичним значенням віброшвидкості. 
 
74 
Зазначені вимоги формалізовані у міжнародному стандарті ISO 2372-1974Е 
[2], що встановлює допуски на вібрацію різних типів машин з урахуванням їхньої 
потужності. 
Дотримання цих вимог дозволяє уникати руйнування втоми елементів 
підшипників, пов'язаного в першу чергу з високими знакозмінними 
навантаженнями. 
Крім того, зниження до допустимих рівнів вібрації машин призводить до 
зменшення небезпеки руйнування масляного шару, що розділяє деталі 
підшипників, що призводить до зниження інтенсивності абразивного зносу і 
відповідно покращує умови експлуатації підшипників. 
З урахуванням викладеного стає очевидним необхідність використання 
сучасних методів та засобів вібродіагностики (у тому числі вібровимірювальної та 
балансувальної апаратури), що забезпечують можливість: 
своєчасного виявлення джерел підвищеної вібрації; 
зниження вібрації (шляхом проведення робіт з балансування та 
центрування); 
підвищення термінів служби та експлуатаційної надійності обладнання; 
виключення ситуацій пов'язаних з аварійним виходом обладнання з 
експлуатації; 
скорочення витрат, пов'язаних із експлуатацією обладнання. 
 
Матеріали і радіоелементи 
Резистор шт. 8 0,75 6 5 0,30 5,30 
Мікросхема шт. 20 3,50 70,00 5 3,50 73,50 
Конденсатор шт. 2 0,72 1,44 5 0,01 1,45 
Діод шт. 1 0,50 0,50 5 0,01 0,51 
Резонатор шт. 1 1,50 1,50 5 0,08 1,58 
кварцовий 
Провід м 3 6,90 20,70 5 1,04 20,74 
Склотекстоліт кг 0,5 60,00 30,00 5 1,50 31,50 
Фторопласт кг 0,2 90,00 18,00 5 0,90 18,90 
Всього 254,21 
 
 
75 
Висновки 
 
При виконанні кваліфікаційної роботи була розроблена спеціальна схема 
включення п’єзоелектричного перетворювача, а також електрична схема 
вимірювальної частини акселерометра, що включає: блок вимірювальний, блок 
живлення, блок індикації та блок комутації. Застосування у якості навантаження 
п’єзоелектричного перетворювача рідкокристалічного елементу дозволило 
розширити частотний діапазон вимірюваних віброприскорень до нижнього 
граничного значення 0,1 Гц та верхнього граничного значення 20 Гц. 
Розробка інерційних приладів з частотою власних коливань  1 Гц 
ускладнена. На цих частотах рекомендують використовувати датчики не 
сейсмічного типу, а датчики, що вимірюють переміщення власне деякої опорної 
точки. В якості таких датчиків можуть бути використані ємнісні, фотоелектричні 
системи, котрі дозволяють також вимірювати малі амплітуди зміщення. 
Максимальне значення вихідної напруги на навантаженні п’єзоелемента 
РКЕ практично дорівнює вихідній напрузі не навантаженого п’єзоелемента і 
фазова похибка в даному вимірювальному ланцюзі значно менша, ніж при 
використанні в якості навантаження операційного підсилювача. Із даного аналізу 
видно, що при вимірюваннях віброприскорення на інфранизьких частотах 
переваги має схема п’єзоелемент - рідкокристалічний елемент. 
Використання п’єзоелектричного перетворювача в даному діапазоні 
частот, а також застосування цифрової обробки сигналу з датчика дозволяє 
зменшити похибку перетворювання до 0,3 %. Застосування рідкокристалічного 
елементу також дозволило спростити електричну схему вимірювальної частини 
приладу, через відсутність складних коректуючих та диференційних ланцюгів. 
Це в свою чергу, приводить до збільшення надійності приладу та 
зменшення його собівартості. 
 
76 
Список літератури 
 
1. Шарапов В.М., Минаев И.Г., Бондаренко Ю.Ю. и др. 
Пьезоэлектрические преобразователи (Справочное пособие) / Под ред. В.М. 
Шарапова. - Черкассы: ЧГТУ, 2004. 434 с. 
2. Вуйцик В., Готра З.Ю., Готра О.З, Григорьєв В.В., Калита В., Мельник 
О.М. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: Науково – навчальне видання. - 
За редакцією З.Ю. Готри. - Львів: Ліга – прес. - 2003.-299 с. 
3. Мещанінов С. К., Співак В. М., Орлов А. Т. Електронні методи і 
засоби біомедичних вимірювань. – Київ: Кафедра, 2016. – 211 с. 
4. Левицький А.С., Федоренко Г.М., Грубой О.П. Контроль стану 
потужних гідро- та турбогенераторів за допомогою ємнісних вимірювачів 
параметрів механічних дефектів. Київ: Ін-т електродинаміки НАН України, 2011. 
242 с. 
5. Попович М. Г., Ковальчук О. В. Теорія автоматичного керування. 
Київ : Либідь, 1997. 444 с. 
6. Лазарєв Ю. Ф. Основи теорії чутливих елементів систем орієнтації. 
Київ : НТУУ "КПІ", 2011. 644 с. 
7. Бортникова В. О. Математическая модель метода нагрузки на 
чувствительный элемент акселерометра // Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології у виробництві та освіті: стан, досягнення, перспективи 
розвитку: Матеріали Всеукр. наук.-практ. Internet-конф. Черкаси, 2014. 
8. http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_01/stat_66.htm 
9. http://radio-hobby.org/news/article.php?storyid=116 
10. http://ru-patent.info/20/10-14/2010234.html 
 
77