Сенсор фізичної величини на поверхневих акустичних хвилях

Реферат: Сенсор фізичної величини на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані група відбивачів, вхідний/вихідний зустрічноштировий перетворювач (ЗШП) поверхневих акустичних хвиль, з'єднаний з антеною, та ЗШП, з'єднаний із зовнішнім чутливим до вимірювальної фізичної величини елементом. На поверхні звукопроводу розташована група відбивачів, що разом із вхідним/вихідним ЗШП утворюють опорну лінію затримки, в якій відбувається формування опорного сигналу. UA 88694 U (12) UA 88694 U UA 88694 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до пристроїв акустоелектроніки і може бути використана у вимірювальній техніці. Відомий сенсор на ПАХ [1], в якому на поверхні звукопроводу розташовані ЗШП та дві групи відбивачів із різною чутливістю до вимірювальної величини, перша з яких передбачена для формування опорного сигналу, а друга - для формування сигналу, амплітуда якого залежить від значення вимірювальної величини. Недоліком даного пристрою є необхідність безпосереднього контакту середовища, в якому здійснюється вимірювання, із поверхнею звукопроводу, що супроводжується впливом зовнішніх несприятливих факторів (волога, механічні забруднення тощо) на поверхню звукопроводу і негативно впливає на функціонування пристрою. Найбільш близьким до корисної моделі є сенсор фізичної величини на ПАХ [2], що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані ЗШП ПАХ, що з'єднаний з антеною, та ЗШП ПАХ, що з'єднаний із зовнішнім чутливим до вимірювальної фізичної величини елементом. Сигнал радіозапиту від пристрою опитування та обробки інформації надходить на вхід антени даного сенсора. З'єднаний з антеною ЗШП за рахунок зворотного п'єзоефекту збуджує ПАХ, що поширюється в обидва напрямки від перетворювача. Частина енергії ПАХ поширюється в напрямку ЗШП, з'єднаного із зовнішнім чутливим до вимірювальної фізичної величини елементом, а інша частина - поширюється в протилежному напрямку і поглинається поглиначем ПАХ. Коефіцієнт відбиття від навантаженого на чутливий елемент ЗШП залежить від опору чутливого елемента, що, в свою чергу, залежить від значення вимірювальної фізичної величини. Таким чином, по параметрах сигналу, відбитого від навантаженого на чутливий елемент ЗШП, можна отримати інформацію про значення вимірювальної фізичної величини. Недоліком таких сенсорів є залежність показів сенсора від відстані між пристроєм обробки інформації і антеною та їхнім взаємним розташуванням, що може призвести до значних похибок вимірювання фізичної величини. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення точності вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що сенсор на ПАХ для вимірювання фізичної величини містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані відбивна структура та два ЗШП ПАХ, один з яких з'єднаний з антеною, а інший - з зовнішнім чутливим до вимірювальної фізичної величини елементом. Наявність групи відбивачів разом із вхідним/вихідним ЗШП дозволяє сформувати опорний сигнал та усунути залежність показів сенсора від відстані між антеною та пристроєм опитування і обробки інформації та їхнім взаємним розташуванням. Суть корисної моделі пояснює креслення, на якому зображено структурну схему сенсора фізичної величини на ПАХ. Сенсор фізичної величини на ПАХ (кресл.) містить п'єзоелектричний звукопровід 1, на поверхні якого розташовані ЗШП 2, з'єднаний з антеною 3, та ЗШП 4, що з'єднаний із зовнішнім чутливим до вимірювальної величини елементом 5, та група відбивачів 6. При цьому група відбивачів 6 та ЗШП 2 утворюють опорну лінію затримки ПАХ, що формує опорний сигнал; ЗШП 2 та ЗШП 4 утворюють вимірювальну лінію затримки, що формує контрольний вимірювальний сигнал. Для зменшення рівня помилкових сигналів та забезпечення режиму біжучої хвилі на торцях звукопроводу нанесені поглиначі ПАХ 7. Сенсор, окрім чутливого елемента 5, розміщено у герметичному корпусі 8. Сенсор фізичної величини на ПАХ працює наступним чином. Сигнал радіозапиту від пристрою опитування та обробки інформації надходить на вхід антени 3 сенсора. ЗШП 2 за рахунок зворотного п'єзоефекту збуджує у звукопроводі 1 поверхневі акустичні хвилі, що поширюються по звукопроводу в обидва напрямки від ЗШП 2. Частина енергії ПАХ, відбившись від групи відбивачів 6, повертається на перетворювач 2 і за рахунок прямого п'єзоефекту перетворюється в електричний сигнал, що випромінюється в простір антеною 3. Таким чином відбувається формування опорного сигналу, час затримки якого визначається відстанню від ЗШП 2 до групи відбивачів 6 та швидкістю поширення ПАХ по поверхні матеріалу звукопроводу. Частина енергії ПАХ, відбившись від ЗШП 4, повертається на перетворювач 2 і за рахунок прямого п'єзоефекту перетворюється в електричний сигнал, що випромінюється в простір антеною 3. Таким чином формується контрольний вимірювальний сигнал. Коефіцієнт відбиття (а отже і амплітуда відбитого імпульсу) від ЗШП 4, навантаженого на зовнішній чутливий елемент 5, залежить від значення його провідності, що, в свою чергу, залежить від значення вимірювальної фізичної величини і визначається відповідно до співвідношення: K відб  Ga (0 ) , (1) Ga ( 0 )  Yн  j0CT 1 UA 88694 U де Ga (0 ) - активна складова провідності ЗШП 4 на центральній частоті; CT - статична 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ємність ЗШП 4; 0 - центральна частота; Yн - провідність навантаження ЗШП. Таким чином, по параметрах відбитого від ЗШП 4 сигналу можна отримати інформацію про значення вимірювальної фізичної величини. Після надходження на пристрій опитування на обробки інформації опорного та вимірювального сигналів здійснюється обробка вимірювальної інформації (наприклад, кореляційний аналіз та визначення амплітуд опорного і вимірювального сигналів). Таким чином, формування двох сигналів виключає вплив відстані між пристроєм опитування та сенсором і їхнім взаємним розташуванням на згасання вимірювального сигналу, оскільки згасання опорного і вимірювального сигналів внаслідок поширення від пристрою опитування до сенсора є однаковим. При цьому для ефективної селекції опорного та вимірювального сигналів час затримки приходу опорного та вимірювального сигналів повинні бути різними. Час затримки приходу опорного сигналу визначається відстанню між групою відбивачів 6 і ЗШП 2 та швидкістю поширення ПАХ у звукопроводі; час затримки приходу вимірювального сигналу визначається відстанню між ЗШП 2 і ЗШП 4 та швидкістю поширення ПАХ у звукопроводі. Тому, для ефективної селекції опорного та вимірювального сигналів довжини опорної і вимірювальної ліній затримки повинні бути різними. Приймаємо такі конструктивні параметри: - фазова швидкість ПАХ V=3992 м/с (як звукопровід використано YX - зріз ніобату літію); - центральна частота f=434 МГц (довжина ПАХ ПАХ  9,2  106 м); - відстань між ЗШП 2 та ЗШП 4-0,004 м; відстань між ЗШП 2 та групою відбивачів 6-0,002 м, що забезпечує затримку приходу контрольного сигналу відносно опорного в 1 мкс; - апертура перетворювачів W  100  ПАХ  9,2  104 м; - ширина електродів d  2,3  106 м; - число періодів електродів ЗШП Np=4; - як зовнішній чутливий до вимірювальної фізичної величини елемент використаємо терморезитор ММТ-12 [3], номінальний опір якого становить 1 кОм і температурна залежність опору якого визначається відповідно до співвідношення: R  ReB / T , (2), де B  4300K 1 ; R - опір терморезистора при високих температурах; T - поточна температура, K. Визначаємо зміну коефіцієнта відбиття від навантаженого на терморезистор ЗШП 4: Відповідно до співвідношення (2) опір терморезистора при 100 °С становить 55 Ом, отже зміна температури від 25 °С до 100 °С призводить до зміни опору терморезистора від 1000 Ом до 55 Ом. Така зміна опору зумовлює зміну коефіцієнта відбиття від навантаженого на терморезистор ЗШП 4, що призведе до зміни амплітуди відбитого імпульсу в 8 разів - 18 дБ порівняно із амплітудою імпульсу, відбитого від групи відбивачів. Таким чином, при порівнянні в пристрої опитування та обробки інформації амплітуди вимірювального сигналу, відбитого від ЗШП 4, та амплітуди опорного сигналу, відбитого від групи відбивачів 7, вимірюється температура, що діє на терморезистор. Окрім вимірювання температури сенсор, побудований за представленою на кресленні схемою може бути використаний для вимірювання і інших фізичних величин (вологості, тиску тощо). Джерела інформації: 1. Пат. RU 2427943C1, РФ, МПК7, H01L 41/08.Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах / Калинин В.А., Плесский В.П., Шубарев В.А., Мельников В.А. 2. Пат. RU 2296950C2, РФ, МПК7, G01D5/00. Датчик дистанционного контроля физической величины на поверхностных акустических волнах / Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Гуляев Ю.В., Карапетьян Г.Я. опубл. 27.04.2009. 3. Резисторы. Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др. - М.: Радио и связь, 1991 - 528 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Сенсор фізичної величини на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ), що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані група відбивачів, вхідний/вихідний зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) поверхневих акустичних хвиль, з'єднаний з антеною, 2 UA 88694 U та ЗШП, з'єднаний із зовнішнім чутливим до вимірювальної фізичної величини елементом, який відрізняється тим, що на поверхні звукопроводу розташована група відбивачів, що разом із вхідним/вихідним ЗШП утворюють опорну лінію затримки, в якій відбувається формування опорного сигналу. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3