Сенсор на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску

Реферат: Сенсор на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) для вимірювання тиску, що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташований з'єднаний з антеною вхідний/вихідний зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) ПАХ для стиснення лінійночастотно-модульованого сигналу, та групи відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації, причому вхідний/вихідний ЗШП ПАХ виготовлений у вигляді узгодженого фільтру для прийому та стиснення частотно-модульованого 1 сигналу, а як групи відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації на поверхні звукопроводу розміщено дві відбивні решітки, а також сенсор містить мембрану, що розташована над поверхнею п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі. UA 77113 U (12) UA 77113 U UA 77113 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до пристроїв акустоелектроніки і може бути використана у вимірювальній техніці. Відомий сенсор на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) для вимірювання тиску [1], що містить п'єзоелектричний звукопровід, на одній грані якого розміщено вхідний/вихідний зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) ПАХ та дві відбивні решітки (відбивачі). Вхідний/вихідний перетворювач з'єднаний з антеною для прийому сигналу радіозапиту та випромінювання сигналу радіовідгуку. Звукопровід виконано на п'єзоелектричній підкладці, що слугує діафрагмою (мембраною), на яку діє вимірювальна величина (тиск). Зміна тиску викликає прогинання мембрани, внаслідок чого змінюються умови поширення сигналу в звукопроводі (зазвичай, в зоні взаємодії між відбивачами). Недоліком таких сенсорів є малий радіус дії, лише біля кількох метрів, що пояснюється втратами в просторі поширення радіосигналу, втратами при поширенні ПАХ в звукопроводі та втратами на відбивачах, а також низька надійність, а також неможливість забезпечення одночасної роботи декількох сенсорів з одним пристроєм опитування в одному частотному діапазоні. Найбільш близьким до корисної моделі є сенсор-мітка на ПАХ [2], що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташований з'єднаний з антеною вхідний/вихідний ЗШП ПАХ для стиснення лінійно-частотно-модульованого сигналу, та групи відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації. Недоліком пристрою є вузький діапазон вимірюваного тиску та низька чутливість, зумовлені обмеженою довжиною п'єзоелектричного звукопроводу, що пов'язано з необхідністю використання більшої кількості відбивачів (більше двох) для кодування вимірювальної інформації, а також низька надійність внаслідок можливого руйнування мембрани через крихкість п'єзоелектричного звукопроводу при перевантаженнях та складність виготовлення мембрани. Задача корисної моделі - розширити діапазон вимірювання тиску, підвищення чутливості та точності, а також підвищення надійності та технологічності. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що у сенсорі на ПАХ, відповідно до корисної моделі вхідний/вихідний ЗШП ПАХ виготовляється у вигляді узгодженого фільтру для прийому та стиснення частотно-модульованого сигналу, а замість груп відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації на поверхні звукопроводу розміщуються дві відбивні решітки, відстань між якими суттєво збільшується, а також сенсор містить мембрану, що розташована над поверхнею п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі. На фіг. 1 зображено сенсор на ПАХ для вимірювання тиску; на фіг. 2 - розріз А-А по фіг. 1. Сенсор на ПАХ для вимірювання тиску (фіг. 1) містить п'єзоелектричний звукопровід 1, на поверхні якого розташований з'єднаний з антеною 2 вхідний/вихідний зустрічно-штировий перетворювач ПАХ 3, дві відбивні решітки (відбивачі) 4 та 6. Усі ці елементи утворюють дисперсійну лінію затримки на відбивачах, час затримки якої залежить від значення вимірювальної величини. Елементи розташовані у корпусі 8, який герметично закритий кришкою 9 з мембраною 7, що виконана з пружного матеріалу (наприклад, бронза, сталь тощо) та розташована над зоною взаємодії 5 на відстані від поверхні звукопроводу, сумірній з довжиною ПАХ. Таке розташування мембрани обумовлене тим, що для ефективного її впливу на параметри хвилі, яка поширюється по звукопроводу, необхідно забезпечити переміщення мембрани в електричному полі ПАХ, електричний потенціал якого зменшується при віддаленні від поверхні звукопроводу за експоненціальним законом. Сенсор на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску працює наступним чином. Сигнал радіозапиту від пристрою опитування та обробки інформації поступає на вхід антени 2 сенсору на ПАХ для вимірювання тиску. Сигнал радіозапиту являє собою частотно-кодований сигнал з тривалістю t рз та кількістю дискретних частот N. Вхідний/вихідний перетворювач 3 за рахунок зворотного п'єзоефекту збуджує у звукопроводу 1 поверхневі акустичні хвилі, при цьому виконуючи стиснення вхідного сигналу. Таким чином, при подачі на антену 2 узгодженого сигналу радіозапиту, на виході перетворювача 3 отримаємо сигнал, тривалість якого значно менша за тривалість сигналу радіозапиту tpз: t cт ПАХ  55 1,5 , fв  fн (1) де fв, fн верхня та нижня частоти смуги робочих частот на рівні 0,5. Частина енергії ПАХ відбившись від першого відбивача 4, повертається на перетворювач 3 і за рахунок прямого п'єзоефекту перетворюється в електричний сигнал, що випромінюється в простір антеною 2. Таким чином, відбувається формування опорного вимірювального сигналу. 1 UA 77113 U 5 10 15 20 Частина енергії акустичного потоку ПАХ, що пройшла перший відбивач 4, пройшовши активну зону 5 (зона взаємодії), відбивається від відбивача 6, знову пройшовши активну зону 5, поступає на перетворювач 3. За рахунок прямого п'єзоефекту відбувається перетворення енергії ПАХ в електричний сигнал, що випромінюється антеною 2. Таким чином, формується контрольний вимірювальний сигнал. Пристрій опитування та обробки інформації, що через радіоканал зв'язаний з сенсором на ПАХ для вимірювання тиску, після надходження на нього опорного та контрольного сигналів проводить обробку вимірювальної інформації (кореляційний аналіз та вимірювання часу затримки між сигналами). Необхідність формування двох сигналів зумовлена необхідністю виключення впливу відстані між пристроєм опитування та сенсором на час затримки, оскільки, час поширення радіосигналу для опорного та контрольного сигналів однаковий. Час затримки приходу контрольного вимірювального сигналу відносно опорного визначається відстанню між відбивачами 4 та 6, швидкістю поширення ПАХ у звукопроводі та умовами поширення ПАХ в зоні взаємодії 5. Робота сенсору на ПАХ для вимірювання тиску заснована на зміні умов поширення ПАХ в зоні взаємодії, що призводить до зміни часу затримки між опорним та контрольним вимірювальними сигналами. Зміна умов поширення ПАХ в зоні взаємодії відбувається під дією мембрани 7, яка під впливом вимірювальної величини переміщується в електричному полі ПАХ, потенціал якого змінюється експоненціально   0 exp2x /   , де φ0 - потенціал електричного поля ПАХ на вільній поверхні п'єзоелектричного звукопроводу;  = V/f; f, V та  - частота, фазова швидкість та довжина ПАХ на вільній поверхні звукопроводу відповідно; χ - відстань від поверхні звукопроводу 1 до мембрани 7. Набігання часу затримки, викликане дисперсією швидкості хвилі внаслідок збурення мембраною електричного поля хвилі, визначається співвідношенням tx  2 25 30 35 40 45 W V SV  S V dx, x (2) 1 V  V x де - крутість дисперсійної характеристики; W - довжина активної зони 5 в напрямку поширення ПАХ. Коефіцієнт два перед виразом з'являється через подвійне проходження зони взаємодії акустичної хвилею (в напрямку від відбивача 4 до відбивача 6 та назад). Звичайно, вираз (2) справедливий за умови, що за час проходження ПАХ через активну зону і назад, вимірювальний тиск залишається постійним. Як видно з (2), час набігання часу затримки прямопропорційно залежить від довжини зони взаємодії. За рахунок відмови від груп відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації на поверхні звукопроводу вивільнюється місце для додаткового розширення активної зони, що дозволяє підвищити точність та чутливість вимірювання. При цьому, це не впливає на функціональні можливості сенсору, адже побудова вхідного/вихідного перетворювача у вигляді узгодженого фільтру для сигналу радіозапиту дозволяє забезпечити роботу декількох безпровідних сенсорів на ПАХ в одному частотному діапазоні (забезпечення множинного доступу). За рахунок використання сигналів з великою базою та частотно-кодованого вхідного/вихідного перетворювача, що окрім розкодування вхідного сигналу радіозапиту виконує його стиснення, можна збільшити радіус дії, адже відбувається підвищення амплітуди ПАХ в звукопроводі, амплітуди вихідного сигналу радіовідгуку та відношення сигнал/шум на вході пристрою опитування та обробки інформації. Проведемо аналіз роботи дисперсійної лінії затримки як сенсору на ПАХ для вимірювання тиску. 1. Опорна лінія затримки: Час затримки опорної лінії затримки (ЛЗ) визначається виразом: t L1  2 L1 , V (3) де L1 - відстань між центрами вхідного/вихідного перетворювача та першого відбивача. Час затримки опорного сигналу відносно сигналу радіозапиту: 50 L   t опорн  t L1  2t рк  2 t рк  1   V   , (4) де t рк - час розповсюдження сигналу по радіоканалу від пристрою опитування та обробки інформації до сенсору на ПАХ для вимірювання тиску. 2. Контрольна лінія затримки: 2 UA 77113 U Час затримки контрольної лінії затримки визначається виразом: t L2  2 L2 L W  tx  2 1  tx, V V (5) де L2 - відстань між центрами вхідного/вихідного перетворювача та другого відбивача. Час затримки контрольного сигналу відносно сигналу радіозапиту: 5 L W    tx, t контр  t L2  2t рк  2 t рк  1  V    (6) З рівняння (4) та (6) отримаємо співвідношення для часу затримки контрольного сигналу відносно опорного: t зр  t контр  t опорн  2 10 15 W V      1  S V dx .    x   (7)  Із співвідношення (7) видно, що час затримки не залежить від відстані між пристроєм опитування та обробки інформації та сенсором на ПАХ для вимірювання тиску, а визначається довжиною зони взаємодії та дисперсією фазової швидкості ПАХ, що викликана прогинанням мембрани під впливом тиску. Тому вимірювання часу затримки дозволяє визначити як абсолютне значення, так і перепад тиску, що діє на мембрану. Залежність прогинання мембрани χ від тиску Ρ визначається типом мембрани та її конструктивними параметрами. Для кількісних розрахунків розглянемо мембрану з жорстким центром (фіг. 1, 2), прогинання якої залежно від тиску визначається співвідношенням: х = К•Р, (8) де:  20 p  R 4   h3 p   , (9)  3  1   2 c 4  1  4c 2 ln c  16 c4 , (10) c = R/r0, R і r0 - робочий радіус мембрани та радіус жорсткого центру; μ та Ε - коефіцієнт Пуассона та модуль пружності матеріалу мембрани; Ρ - перепад тиску; h - товщина мембрани (для малих прогинань x/h >>1). Тоді співвідношення (7) можна подати у вигляді  2   W t зр  2  1  S P d  V   1   , (11) 1 dV S   S V ; V dP де P1 = x1 /K; P2 = x2 /K. А співвідношення (2):  25 tx  2 W V 2  S d,  1 (12) Чутливість пристрою визначається співвідношенням: S 30 35 40 W  S dt 2 d V . (13) Приймаємо такі конструктивні параметри: - фазова швидкість ПАХ V = 3488 м/с (для звукопроводу з ніобіту літію YZ -зрізу); -6 - довжина незбуреної хвилі  = 8 •10 м (f = 434 МГц); - відстань між вхідним/вихідним перетворювачем та першим відбивачем L 1 = 0,003м; - довжина зони взаємодії W = 0,03 м; - робочий радіус мембрани R = 0,025 м; - радіус жорсткого центру мембрани r0 = 0,015 м ; - товщина мембрани h = 0,001 м; - матеріал мембрани - сталь; 11 2 - модуль пружності матеріалу мембрани Ε = 2,2• 10 Η /м ; - коефіцієнт Пуассона μ = 0,28. Визначаємо: 3 UA 77113 U   41 4  10 12 , 2 м  / м 2 ; Αp = 0,02; С = 1,67; x1 = Ρ1 = 0; X2=xmax =8•10-6м; P2= Pmax = xmax/K=1,9•105 H/м або P2 = 1460 мм.рт.ст. -1 Максимальне набігання часу затримки (приймаємо у виразі (12) крутість Sv = 10 м на лінійній ділянці дисперсійної характеристики): t x max  2 5 2 S 1  d 2 W    S v  max  138нс , V . Чутливість вимірювання тиску таким пристроєм дорівнює: S 10 W V dt t x max с   7  10 15 d max Н / м2 . При роздільній здатності промислових частотомірів та вимірювачів часових інтервалів (наприклад, Dagatron UC-8030U, Pendulum CNT81R, Dagatron FC-8037) t = 1nc потенційна роздільна здатність пристрою складає: t 10 12   140н / м 2  105 , S 5  10 15 мм.рт.ст,  189  100%   100%  0,07%  2,6  105 .   15 20 25 30 35 40 45 Таким чином, роздільна здатність сенсору складає 0,07% від діапазону вимірювання, що значно підвищує роздільну здатність у порівнянні з аналогом та найближчим аналогом (1% від діапазону [1]). Отже, сенсор на ПАХ на відміну від аналогу, дозволяє розширити діапазон вимірюваного тиску та підвищити чутливість, оскільки значно збільшується довжина акустичного каналу, на який здійснюється вплив вимірюваного тиску. Окрім цього, сенсор на ПАХ дозволяє підвищити надійність, оскільки мембрана може бути виготовлена з міцного матеріалу, а більш висока технологічність виготовлення призведе до більш високого відсотку виходу придатних виробів при масовому виробництві. Додатковою перевагою запропонованого сенсору для вимірювання тиску є можливість уніфікації при створенні пристроїв на різні динамічні діапазони, оскільки при цьому вимагається лише зміна конструктивних параметрів мембрани, а всі інші елементи залишаються незмінними. Також, сенсор дозволяє реалізувати роботу пристрою опитування та обробки інформації з декількома сенсорами в одному частотному діапазоні. Джерела інформації: 1. Reindl, Leonhard, "Wireless passive SAW identification marks and sensors", 2nd Int. symposium acoustic wave devices for future mobile communication systems, Mar. 2004, pp. 1-15, Chiba University. 2. Пат. US 20100060429A1 США, H04Q 5/22, H01L 41/047. SAW sensor tags with enhanced performance: Пат. US 20100060429A1 США, 340/10.1, 310/313 В / Jacqueline H.Hines (США), Leland P.Solie (США), Saul Ewing LLP. -№17101; Заявл. 06.08.09; Опубл. П.03.10. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Сенсор на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) для вимірювання тиску, що містить п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташований з'єднаний з антеною вхідний/вихідний зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) ПАХ для стиснення лінійно-частотномодульованого сигналу, та групи відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації, який відрізняється тим, що вхідний/вихідний ЗШП ПАХ виготовлений у вигляді узгодженого фільтру для прийому та стиснення частотно-модульованого 1 сигналу, а як групи відбивачів для створення та кодування вимірювальної інформації на поверхні звукопроводу розміщено дві відбивні решітки, а також сенсор містить мембрану, що розташована над поверхнею п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі. 4 UA 77113 U 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 5