Сенсор вологості на поверхневих акустичних хвилях

Реферат: Сенсор вологості на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ), містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані зустрічно-штирові перетворювачі (ЗШП), один з яких з'єднаний із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором, другий ЗШП - з антеною, а третій ЗШП з’єднаний із розміщеним у негерметичному корпусі терморезистором. ЗШП з'єднаний із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором та ЗШП, що з'єднаний з антеною, утворюють опорну лінію затримки, в якій відбувається формування опорного сигналу, та наявністю зовнішнього чутливого до вимірюваної вологості елемента, що усуває контакт навколишнього середовища із поверхнею звукопроводу. UA 94022 U (12) UA 94022 U UA 94022 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв акустоелектроніки і може бути використана у вимірювальній техніці. Відомий сенсор вологості на ПАХ [1], в якому на поверхні звукопроводу, покритого вологопоглинаючою мембраною, розташовані два ЗШП ПАХ. При поглинанні мембраною вологи змінюється швидкість поширення ПАХ між ЗШП і відповідно час затримки вимірювального сигналу. По зміні часу затримки оцінюють зміну швидкості поширення сигналу між ЗШП та отримують інформацію про значення вимірюваної вологості. 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 точність вимірювання та на функціонування пристрою (термін безвідмовної роботи, надійність тощо). Найбільш близьким до корисної моделі є сенсор фізичної величини на ПАХ [2], що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані два ЗШП ПАХ, один з яких з'єднаний з антеною, а інший - із зовнішнім чутливим до вимірюваної фізичної величини елементом. Сигнал радіозапиту від пристрою опитування та обробки інформації поступає на вхід антени даного сенсору. 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 з'єднаного із зовнішнім чутливим до вимірюваної фізичної величини елементом, інша частина - поширюється в протилежному напрямку і поглинається поглиначем ПАХ. Коефіцієнт відбиття від навантаженого на чутливий елемент ЗШП залежить від опору чутливого елементу, що, в свою чергу, залежить від значення вимірюваної фізичної величини. Таким чином, із величини відбитого сигналу від навантаженого на чутливий елемент ЗШП можна отримати інформацію про значення вимірюваної фізичної величини. Недоліком таких сенсорів є залежність показів сенсору від відстані між пристроєм обробки інформації і антеною та їхнім взаємним розташуванням, що може призвести до значних відхилень виміряних значень фізичної величини від її дійсних значень. Задача корисної моделі - підвищення точності вимірювання та технологічності пристрою. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що, відповідно до корисної моделі, сенсор на ПАХ для вимірювання вологості містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташований ЗШП, з'єднаний із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором, вхідний/вихідний ЗШП, з'єднаний з антеною, та ЗШП, з'єднаний із терморезистором, що розміщений у негерметичному корпусі. При цьому використання чутливого до вимірюваної вологості зовнішнього елементу дозволяє усунути безпосередній контакт навколишнього середовища із поверхнею звукопроводу та забезпечує можливість розміщення сенсору в герметичному корпусі. Задача підвищення точності вимірювання досягається завдяки формуванню опорного та вимірювального сигналів, що усуває залежність показів сенсору від відстані між сенсором та пристроєм опитування і обробки інформації та їхнім взаємним розташуванням. На кресленні зображено функціональну схему сенсора вологості на ПАХ. Сенсор вологості на ПАХ (креслення) містить п'єзоелектричний звукопровід 1, на поверхні якого розташований ЗШП 2, з'єднаний з антеною 3, ЗШП 4, що з'єднаний із зовнішнім чутливим до вимірюваної вологості елементом - терморезистором 5, ЗШП 6, що з'єднаний із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором 7. Для зменшення рівня помилкових сигналів та забезпечення режиму біжучої хвилі, на торцях звукопроводу нанесені поглиначі ПАХ 8. Сенсор, окрім терморезистора 5, розміщено у герметичному корпусі 9. Сенсор вологості на ПАХ працює наступним чином. Сигнал радіозапиту від пристрою опитування та обробки інформації поступає на вхід антени 3 сенсору. 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 навантаженого на терморезистор 7 ЗШП 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 ЗШП 6 та швидкістю поширення ПАХ по поверхні матеріалу звукопроводу. Частина енергії ПАХ, відбившись від навантаженого на терморезистор 5 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. 1 UA 94022 U 5 10 15 20 25 30 Модуль коефіцієнту відбиття (а отже і амплітуда відбитого імпульсу) від ЗШП 4, навантаженого на терморезистор 5, залежить від значення провідності терморезистора 5, що, в свою чергу, залежить від значення температури і визначається відповідно до співвідношення: Ga 0  , (1) K відб  Ga 0   Yн  j0CT де Ga 0  - активна складова провідності ЗШП 4 на центральній частоті; CT - статична ємність ЗШП 4; 0 - центральна частота; Yн - провідність навантаження ЗШП - терморезитора 5, що залежить від температури та вимірюваної вологості. Аналогічно визначається залежність від температури модуля коефіцієнта відбиття сигналу від ЗШП 6, навантаженого на терморезистор 7. Оскільки терморезистор 5 розміщений у негерметичному корпусі, зміна вологості навколишнього середовища призведе до більшого охолодження терморезистора 5 порівняно із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором 7. Різниця в температурах терморезисторів 5 та 7 спричинює відмінність їхніх опорів, а тому і відмінність модулів коефіцієнтів відбиття сигналів від ЗШП 4 та 6. Після надходження на пристрій опитування та обробки інформації опорного та вимірювального сигналів здійснюється обробка вимірюваної інформації (наприклад, кореляційний аналіз та визначення амплітуд опорного і вимірювального сигналів). По зміні амплітуди вимірювального сигналу відносно амплітуди опорного сигналу отримують інформацію про значення вимірюваної вологості. При цьому, формування двох сигналів виключає вплив відстані між пристроєм опитування та сенсором і їхнім взаємним розташуванням на затухання вимірювального сигналу, оскільки затухання опорного і вимірювального сигналів внаслідок поширення від пристрою опитування до сенсору є однаковим. Приймаємо такі параметри: - як звукопровід використано YX - зріз ніобату літію; - центральна частота f=434 МГц (довжина ПАХ ПАХ  9,2  10 6 м) - як зовнішній чутливий до вимірюваної вологості елемент використаємо терморезистор ММТ-12 [4], номінальний опір якого становить 1 кОм і температурна залежність опору якого визначається відповідно до співвідношення: R  R  eB / T , (2) -1 35 40 45 50 де B  3100 К ; R  - опір терморезистора при високих температурах; T - поточна температура, К. Відповідно до співвідношення (2) зміна температури від 10 °С до 45 °С призводить до зміни опору терморезистора від 50 до 170 Ом. Така зміна опору зумовлює зміну модуля коефіцієнта відбиття від навантаженого на терморезистор ЗШП 4 та амплітуди відбитого імпульсу в 3 рази (10 дБ) порівняно із амплітудою імпульсу, відбитого від ЗШП 6. Таким чином, порівнюючи величини опорного та вимірювального сигналів, можна отримати інформацію про значення вимірюваної вологості, при цьому покази пристрою не залежатимуть від затухання вимірювального сигналу внаслідок проходження відстані між сенсором та пристроєм опитування і обробки інформації. Джерела інформації: 1. С. Caliendoy, E. Veronay and V. І. Anisimkin. Surface acoustic wave humidity sensors: a comparison between different types of sensitive membrane // Smart Mater. Struct. - 1997, №6. - pp. 707-715. 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. Катаев В.Ф., Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г. Датчики на поверхностных акустических волнах для дистанционного контроля температуры //Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2008, - № 5 - с. 31-32. 4. 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 вологості на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ), що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані зустрічно-штирові перетворювачі (ЗШП), один з яких 2 UA 94022 U 5 з'єднаний із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором, другий ЗШП - з антеною, а третій ЗШП з’єднаний із розміщеним у негерметичному корпусі терморезистором, який відрізняється тим, що ЗШП, який з'єднаний із розміщеним у герметичному корпусі терморезистором та ЗШП, що з'єднаний з антеною, утворюють опорну лінію затримки, в якій відбувається формування опорного сигналу, та наявністю зовнішнього чутливого до вимірюваної вологості елемента, що усуває контакт навколишнього середовища із поверхнею звукопроводу. Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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