ПИП на поверхностных акустических волнах

             

     

а - конструкция термодатчика; б - ТЧХ датчика; 1 - кварцевая подложка;              2 - ВШП; 3 - корпус; 4 - гермоввод; 5 - керамика; 6 - посеребренная крышка;         7 - герметизирующее уплотнение; 8 - эпоксидный клей.

 

Рисунок 23 – Термодатчик на ПАВ

 

Прямой тепловой контакт  подложки с контролируемым объектом наряду с положительным эффектом (повышением быстродействия), очевидно, вносит и отрицательный момент – появляется паразитная чувствительность датчика к силовому взаимодействию контактирующих поверхностей. В ряде случаев снять этот эффект удается за счет использования промежуточных тонких слоев смазок с хорошей теплопроводностью.

Исходя из данных о  стабильности современных ПАВ-генераторов, можно дать оценки разрешающей способности и временной стабильности ПАВ-термодатчиков.

На сегодня вопрос о конкурентоспособности ПАВ-термодатчиков  остается открытым. Среди причин, тормозящих их внедрение, остаются сравнительно высокая сложность и, конечно, большие габариты, определяемые в основном размерами подложек ПАВ.

Конструкции датчиков для  измерения усилий изображены на рисунке 24.

 

Рисунок 24 – Конструкция  датчиков усилий на ПАВ

                                

В датчиках давления на ПАВ, изображенных на рисунке 25 преобразование давления Р в деформацию осуществляется в два этапа: сначала с помощью дискретного упругого элемента (мембраны 1 или сильфона 2) давление преобразуется в перемещение или усилие, а затем это воздействие через упругий шарнир 3 и рычаг 4 прикладывается к чувствительному элементу на ПАВ 6. Все элементы датчика располагаются в корпусе 5.

 

Рисунок 25 – Конструкции  датчиков давления на ПАВ

 

Конструкции датчиков ускорения  на ПАВ приведены на рисунке 26.Принцип  действия датчиков ускорения на ПАВ основан на том, что выходной частотный сигнал вырабатывается в результате деформации подложки, на которой сформирован преобразователь на ПАВ, под действием усилия, создаваемого при ускорении инерционной массы. Основным элементом конструкции датчиков является инерционная масса 1. Усилие F=mа, возникающее при изменении ускорения a, изменяет условие распространения ПАВ в линии задержки 2, что обеспечивает измерение ускорения. Отличия в конструкциях датчиков определяют их различные параметры.

 

Рисунок 26 – Конструкция  датчиков ускорения на ПАВ

 

Простейшая схема датчиков микроперемещений на ПАВ показана на рисунке 27. Принцип работы датчиков микроперемещений на ПАВ основан на образовании в резонансной области звукопровода (пьезоподложки) стоячей волны. Эта волна характеризуется чередованием узлов и пучностей механических деформаций, распределение которых зависит от частоты приложенного напряжения. При этом вблизи поверхности звукопровода создается электрическое поле, имеющее те же пространственный период и частоту.

 

 

а – простейшая схема датчика перемещений; б – схема с фазовым выходом

 

Рисунок 27 – Схемы  датчиков микроперемещений на ПАВ

 

Вблизи звукопровода помещается зонд 1, чувствительный к электрическому полю. Его перемещения в горизонтальном направлении вызывают периодические изменения амплитуды выходного электрического сигнала. Подсчитав число узлов или пучностей сигнала, и зная расстояние между ними, можно определить перемещение зонда относительно звукопровода, а, следовательно, измерить перемещение объекта. В качестве зонда для снятия сигнала вблизи звукопровода может устанавливаться второй звукопровод. Тогда вместо стоячих волн используются бегущие волны. Звукопроводы образуют линию задержки, в которой время задержки изменяется с изменением положения второго звукопровода (зонда) относительно первого. Микроперемещения преобразуются в фазу колебаний –  рисунок 27 (б) или в его частоту – рисунок 27 (в). В схеме на рисунке 27 (б) на верхней поверхности подложки 1 от внешнего генератора 2 с помощью преобразователя 3 возбуждается бегущая ПАВ, которая переходит в подложку 4. Выходной электрический сигнал с преобразователя 5 на второй подложке поступает на один вход фазометра 6, на другой вход которого поступает с генератора 2 сигнал опорной фазы. Величина микроперемещения определяется по изменению фазы, которая зависит от перемещения подложки 4 относительно подложки 1.

Характеризуя принцип  измерения микроперемещений, использующий пространственную периодичность ПАВ, необходимо отметить ряд трудностей его реализации. Прежде всего, быстрый спад электрического поля по мере удаления от поверхности звукопровода определяет жесткие требования к размеру зазора между подложками.

На практике он должен фиксироваться с точностью до единиц и даже долей микрон. Естественно, что это требование оказывается  приемлемо далеко не всегда и удовлетворяется  только в специальных системах прецизионной механики и оптики. Серьезные проблемы возникают и при взаимном позиционировании двух подложек и по другим осям - необходима строгая параллельность как рабочих плоскостей подложек, так и направлений распространения ПАВ в них. Величины рабочих перемещений, очевидно, ограничены размерами подложек.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрены датчики, основу которых составляют пьезопреобразователи на поверхностных акустических волнах (ПАВ). В последние десятилетия сенсоры на ПАВ получили значительное развитие. Они широко применяются в различных видах микроволновой радиосвязи. Благодаря специальным пакетам автоматизированного проектирования, ряд фирм сравнительно недорого и быстро изготавливают сенсоры на ПАВ по спецзаказам. Примерами их применения являются эффективные фильтры частоты, фильтры для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, резонаторов и генераторов на их основе, фильтры систем волоконно-оптической связи, и т.д. Очень полезной оказалась такая услуга, как автоматическая радиоидентификация объектов. Область поверхности, по которой распространяется ПАВ, оказалась очень чувствительной к ряду внешних воздействий. Это позволило создать с применением сенсоров на ПАВ весьма точные микровесы, новые виды очень чувствительных химических и биохимических сенсоров. Интересным оказалось применение ПАВ и для создания самоконтролируемых композитных структур. Исходя из этой работы можно сделать вывод о том, что область применения датчиков на основании поверхностных акустических волнах очень разнообразна. Датчики на ПАВ широко применяются во многих областях науки и техники. Однако говорить о становлении этого направления еще рано, так как технический прогресс не стоит на месте, а с каждым днем появляются различные разработки датчиков на ПАВ.

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384 с.
2. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 272 с.
3. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник.2005. С. 592.
4. Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры. –  ИНТУИТ, 2010. – 709 с.    
5. Ладик А.И. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы. Справочник. – М.: Радио и связь, 1993. – 104 с.
6. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. Учебное пособие для вузов. – Киев: Высшая  школа, 1981. – 296 с.
7. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. – Л.: Энергия, 1970. – 360 с.
8. Агейкин А.Г. Датчики контроля и регулирования. – М.: Машиностроение, 1965. – 928 с.
9. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы. Учебник для ВУЗов. – М.: Машиностроение, 1983. – 424 с.
10. Левшина Е.С. Новицкий П.В. Измерительные преобразователи. Учебное пособие для ВУЗов. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 319 с.
11. Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин. – Л.: Энергоатомиздат, 1975. – 576 с.
12. Бейлина Р.А. Микроэлектронные датчики. Учебное пособие. – Новополоцк: ПГУ, 2001. – 308 с.
13. Тёрнер Э., Карубэ И. Биосенсоры. – М.: Мир, 1992. – 614 с.
14. Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с.
15. Харт Х. Введение в измерительную технику. – М.: Мир, 1998. – 389 с.