Пристрій на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску

Пристрій на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) для вимірювання тиску, що містить п'єзое 3 10, які з'єднані з підсилювачем ПІ. Перша та друга лінії затримки утворюють опорний ПАХ - генератор. Третя ЛЗ (ЛЗ-3) утворена вхідним ЗШП 11 та вихідним ЗШП 12, четверта ЛЗ (ЛЗ-4) утворена вхідним ЗШП 11 та вихідним ЗШП 13, які з'єднані з підсилювачем П2. Третя та четверта лінії затримки утворюють керований ПАХ - генератор. Пристрій комутації 14 забезпечує замикання кола зворотного зв'язку підсилювача П2 на ЛЗ-3. Всі ці елементи можуть бути розташовані в корпусі. Пристрій на ПАХ для вимірювання тиску працює наступним чином. Мембрана 6 під впливом вимірюваної величини переміщується в електричному полі ПАХ, потенціал якого змінюється експоненціально exp 2 X / , де 0 - потенціал електрич0 ного поля ПАХ на вільній поверхні п'єзоелектричного звукопроводу; =V/f; f, v та - частота, фазова швидкість та довжина ПАХ на вільній поверхні звукопроводу, відповідно; X - відстань від п'єзоелектричної поверхні звукопроводу 7 до мембрани 6. Переміщення мембрани викликає зміну частоти коливань керованого генератора внаслідок дисперсії фазової швидкості ПАХ. Фазове набігання ПАХ, викликане дисперсією швидкості хвилі внаслідок збудження зондом електричного поля хвилі, визначається співвідношенням [3]: 2 S V dX , (1) 1 V - крутість дисперсійної харакV X теристики; N=W/ - число довжин хвиль на збудженій ділянці звукопроводу. Враховуючи необхідність збільшення числа довжин хвиль N на збуджуваній мембраною ділянці п'єзоелектричного звукопроводу W, для забезпечення стійкої роботи ПАХ - генераторів використано метод конкуренції мод. Метод полягає у тому, що в генераторі створюються два різних за акустичною довжиною канали зворотного зв'язку. Затримка сигналу в одному каналі 1=L1/V, а в другому 2=L2/V. В результаті, в автоколивальній системі виникають дві зсунуті одна відносно іншої сітки власних частот. В одній сітці власні частоти знаходяться на відстані f1 1/ 1 , а в іншій на f2 1/ 2 . Стійкі коливання в автогенераторі при обмеженому запасі за самозбудженням виникають лише на тій частоті, на якій власні частоти різних сіток співпадають. Це відбувається у тому випадку, коли електронний пристрій комутації 14, що з'єднує вихідний зустрічно - штировий перетворювач (ЗШП) 12 з електричним колом, знаходиться у замкненому стані. Для цієї частоти результуючий коефіцієнт зворотного зв'язку буде найбільшим. ЗШП при цьому можуть бути досить широкосмуговими. Проведемо аналіз рівнянь балансу фаз ПАХ генераторів. 1. Опорний ПАХ - генератор: 2 n1; L1 1 (2) 2 n2 ; L2 1 де S V 55497 4 де 1 - набігання фази в електричному колі підсилювача; n1 та n2 - моди коливань; L1 та L 2 - набігання фаз в ЛЗ-1 та ЛЗ-2 відповідно, визначаються співвідношеннями: L1 ; L1 2 f1 1 2 f1 V (3) L 2 f1 2 2 f1 2 ; L2 V де 1 та 2 - час затримки у ЛЗ-1 та ЛЗ-2 відповідно; f1 - частота генерованих коливань. З рівнянь (3) одержуємо вираз для частоти генерованих коливань опорного генератора: n2 n1 . (4) f1 f01 2 1 2. Керований ПАХ - генератор: У керованому ПАХ - генераторі мембрана викликає додаткове набігання фази (1), тому рівняння балансу фаз набувають вигляду: 2 n3 ; L3 2 (5) 2 n4 ; L4 2 де 2 - набігання фази в електричному колі підсилювача; n3 та n4 - моди коливань; L 3 та L 4 - набігання фаз у ЛЗ-3 та ЛЗ-4 відповідно, визначаються співвідношеннями: L3 ; L 3 2 f2 3 2 f2 V L 2 f2 4 ; L 4 2 f2 4 V (6) де 3 та 4 - час затримки в ЛЗ-3 та ЛЗ-4 відповідно за відсутності зовнішнього впливу; f2 - частота генерованих коливань. З рівнянь (6) одержуємо вираз для частоти генерованих коливань керованого генератора: f2 f02 f02 f02 2 n4 n3 (7) n4 n3 4 3 - частота генерованих колиде вань керованого ПАХ – генератора при відсутності зовнішнього впливу. Використовуючи вирази (4) та (6), одержимо співвідношення для проміжної частоти вимірювального перетворювача: F=f1-f2=F0+ F, (8) де F0=f01-f02 - початкова проміжна частота за відсутності зовнішнього впливу; F - приріст проміжної частоти при переміщенні мембрани в електричному полі ПАХ, визначається співвідношенням: f02 S V d , (9) n 4 n3 Зі співвідношення (9) видно, що приріст частоти генератора пропорційний довжині звукопроводу W=N , яка перекривається зондом, та крутості дисперсійної характеристики Sy. Як показали експериментальні дослідження, довжина збуджуваної ділянки має бути не менше, ніж Wmin=100 . ЗастоF 5 55497 сування діелектричної мембрани значно зменшує дисперсію фазової швидкості, що призводить до зниження чутливості вимірювального перетворювача. В якості звукопроводу рекомендується використання сильних п'єзоелектриків (LiNbO3, Bi12GeO20, ZnO), які забезпечують крутість дисперсійної характеристики SV≈100м-1, а для покращення амплітудно - частотної та фазочастотної характеристик штирі ЗШП виконувати розчіпленими. Приймаємо такі конструктивні параметри: - фазова швидкість ПАХ V0=3488м/с; - довжина незбуреної хвилі -5 0=5·10 м(f0=69,76МГц); c x1 R / r0 2; 1 0; x 2 p 2 3 1 16 xmax - відстань між зустрічно - штировими перетворювачами L=0,03м; - число ПАХ на незбуреній ділянці N=600; - робочий радіус мембрани R=0,02м; - радіус жорсткого центру мембрани r0=0,01м; - товщина мембрани h=0,001м; - матеріал мембрани - сталь; - модуль пружності матеріалу мембрани Е2,2·1011н/м2; - коефіцієнт Пуассона =0,28; Визначаємо: c 4 1 4c 2 ln c 0,0422; c4 7,5 10 6 м; 2 6 xmax max p R4 30,7 10 h3 2,44 105 / м2 12 м / м2 ; 1830мм.рт.ст. Максимальний приріст частоти автогенератора: Fmax V0 L max S p dP V0 0 Чутливість вимірювання тиску таким пристроєм дорівнює: dF Fmax Гц Гц S 0,21 28,6 2 d мм.рт.ст. /м max При роздільній здатності промислових частотомірів (наприклад 43-54) f=1,0Гц потенційна роздільна здатність пристрою складає: f 10 , 0,035мм.рт.ст. 4,8 / м2 S 28,6 Зміна конструктивних параметрів звукопроводу, зустрічно - штирових перетворювачів та мембрани дозволяє керувати чутливістю пристрою, діапазоном вимірюваного тиску, знизити вплив дестабілізуючих факторів залежно від тактикотехнічних характеристик вимірювальних пристроїв, що вимагаються. Таким чином, пристрій, на відміну від прототипу, дозволяє розширити діапазон вимірюваного тиску та підвищити чутливість, оскільки значно збільшується довжина акустичного каналу, на який здійснюється вплив вимірюваного тиску. Додатковою перевагою запропонованого пристрою для вимірювання тиску, є можливість вико Sv L max 52320ГЦ 52,32кГц. ристання MEMS технологій (мікроелектромеханічні системи), які дозволяють реалізувати чутливий елемент та схему обробки інформації на одній підкладці, а отже, значно покращити тактикотехнічні характеристики та зменшити вартість кінцевої продукції. Джерела інформації: 1. Ya.I. Lepikh. Strain effect in surface acoustic wave elements with a piezoelectric acoustic line and sensors based on this effect // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2000, v.3, №1 - P.91-93. 2. Пат. №71213A Україна, МПК6 G01L11/00, G01F23/14, 2004. Пристрій на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску / Жовнір М.Ф., Черняк М.Г., Дідківський А.А., Наушенко С.С., Ковтун Р.І., Дейнеко В.І.; заявник НТУУ «КПІ»; №20031210965; заявл. 03.12.2003; опубл. 15.11.2004, бюл. №11. 3. Жовнир Н.Ф. Математическая модель преобразователя информации на повехностных акустических волнах.// Электроника и связь. - 1997. С.297-301. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 55497 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601