Акустоэлектронные датчики и компоненты

Рисунок 3.3 - Линия задержки на ПАВ а) работающая "на проход",

б) работающая "на отражение": 1 и 2 - преобразователи; 3 – звукопровод.

Задержка таких  линий задержки достигает 2000мкс  на частотах 50 - 60 МГц. В дисковых линиях задержки на ПАВ увеличение акустического  пути достигается многократной циркуляцией пучка вокруг замкнутой поверхности тонкого диска из монокристалла пьезоэлектрика [8].

 

4.ДАТЧИК  СЕЙСМОУСКОРЕНИЙ НА ПАВ.

4.1.Основные  метрологические и эксплуатационные  характеристики датчика.

Акустоэлектронный датчик - акустоэлектронное изделие, предназначенное для применения в устройствах контроля и измерения параметров внешних, воздействующих факторов [9].

В последние  годы внимание разработчиков радиоэлектронной аппаратуры привлекают датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Принцип действия этих приборов основан на изменении условий распространения ПАВ при внешних воздействиях на звукопровод.

Сейсмический  датчик на ПАВ, специально предназначен для измерения одной компоненты линейного сейсмоускорения.

Основные метрологические  и эксплуатационные характеристики датчика:

1) Верхний предел диапазона измерений, g - 9,8 м/с²;

2) Динамический  диапазон, дБ - 80;

3) Чувствительность  к поперечным компонентам ускорения  относительно чувствительности  к измеряемой компоненте, % ≤ 1;

4) Время измерения (шаг квантования временной зависимости сейсмоускорения), мс - 1;

5) Диапазон частот  измеряемых сейсмоускорений, Гц - 0-50;

6) Минимальная  частота механического резонанса  упругой системы (упругая система не демпфирована), Гц - 75;

7) Допускаемая  перегрузка:

без арретируюшего  винта (рабочее состояние), g ≥ 3;

с арретируюшим винтом (состояние транспортирования), g ≥ 10;

8) Вид выходного  сигнала (информативный параметр) - прямоугольные импульсы положительной полярности с амплитудой 2,5 В на нагрузке 50 Ом (4,5 В на нагрузке 1 кОм), длительностью 0,3 мкс, крутизной переднего фронта - 4 нс и периодом:

,                                  (17)

где Т_о - начальный период (То = 1 мс), G- измеряемое виброускорение, G_m - верхний предел диапазона измерений.

9) Режимная нестабильность  величины Т₀ (на 1В изменения напряжения питания), % ≤ 0,5;

Температурный дрейф величины Т_о (на 1°С),%  ≤0,03;

Температурный диапазон эксплуатации, °С - (-50) - (+50);

Напряжение  питания, В - +5 (±03);

Ток потребления, мА -  100;

Масса датчика, г - 500;

Габаритные  размеры, мм - 140x52x60.

 

4.2.Способы использования информации

Имеются два  способа использования информации с датчика:

а) Преобразование каждого периода следования импульсов  в цифровой код (для получения  ошибки квантования 10^-4 G_m метки времени должны иметь период следования 19 нс) с последующим вычислением значений сейсмоускорений с помощью ЭВМ и регистрацией их на носитель цифровой информации с большим объемом памяти (например, магнитную лету или диск);

б) Преобразование периода следования импульсов в  напряжение с последующей обработкой и регистрацией информации на существующих измерительных комплексах, предназначенных для работы с аналоговыми датчиками.

При передаче выходного  сигнала по коаксиальному кабелю расстояние от объекта, где установлен датчик, до места расположения вторичной аппаратуры может достигать нескольких километров без регенерации импульсов. При этом по указанному кабелю можно одновременно подавать на датчик напряжение питания, установив на концах кабеля простые разделительные цепи, состоящие из конденсатора и дросселя.

 

4.3.Состав  датчика.

Как видно из принципиальной электрической схемы, приведенной на рисунке 4.1, в основу датчика положена дифференциальная автогенераторная схема построения с использованием тензочувствительных линий задержки на ПАВ в качестве частотозадающих элементов.

В состав датчика  входят:

Первый автогенератор AГ1, включающий широкополосный усилитель (VT1, VT2), линию задержки Л3-1 и буферный каскад (VT3);

Второй автогенератор  АГ2, включающий широкополосный усилитель (VT1, VT2), линию задержки Л3-2 и буферный каскад (VT6);

НЧ тракт, состоящий  из компаратора частоты (VT7), усилителя формирователя сигнала разностной частоты DD1, масштабного делителя частоты DD2-DD4 и выходного каскада (VТ8).

Рисунок 4.1 - Принципиальная электрическая схема

 сейсмодатчика  на ПАВ

АГ1 и АГ2 (плечи  дифференциальной схемы) относятся к классу автогенераторов с запаздывающей обратной связью. Такие автогенераторы имеют высокую кратковременную стабильность частоты (10^-9 за 1 с), что обуславливает широкий динамический диапазон ПАВ-датчиков механических величин, предельная величина которого оценивается на уровне 100 - 120 дБ.

Для согласования импедансов встречно-штыревых преобразователей ЛЗ-1 и ЛЗ -2 с входными и выходными импедансами широкополосных усилителей используются катушки индуктивности L1-L4. В некоторых образцах датчиков вносимые потери ЛЗ - 1 и ЛЗ-2 достаточно низки и указанные катушки индуктивности в них отсутствуют. Линии задержки сформированы на кварцевых пластинах ST- среза, выполняющих роль упругих элементов, и имеют следующие параметры: частота акустического синхронизма 98,6 МГц, полоса пропускания 80 кГц, время задержки 2,4мкс, вносимые потери 18-25дБ. Широкополосные усилители состоят из двух каскадов, выполненных по схеме с общим эмитером. Буферные каскады предотвращают взаимную синхронизацию АГ1 и АГ2 и уменьшают влияние цепей компаратора частоты на стабильность частот генерации.

Выходной  каскад, включенный по схеме с общим эмитером, образует усилитель мощности, позволяющий подавать информацию с датчика по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 50 Ом.

 

4.4.Конструкция  датчика.

Конструкция датчика изображена на рисунке 4.2. Корпус, изготовленный путем фрезерования из алюминиевого сплава, является жесткой основой конструкции, к которой крепятся упругая система и три печатные платы.

Упругая система  состоит из стального держателя и следующих пар элементов: упругих элементов - кварцевых пластин, стальных хомутов, медных инерционных элементов и медных прижимов. Держатель с хомутами и инерционные элементы с прижимами стянуты винтами так, что имеющиеся на хомутах и прижимах пазы образуют щели, в которые вставлены концы кварцевых пластин. В зазор залита эпоксидная смола, обеспечивающая жесткую фиксацию пластин. После сборки упругая система закрепляется на внутренней стороне стенки корпуса опорной плоскостью держателя. Для этого используются два винта М 2,5.

Арретирующее  устройство состоит из коротких стальных игл, заделанных в торцы инерционных элементов, прикрепленной к корпусу плоской пружины из бериллиевой бронзы с фторопластовыми фиксаторами и арретирующего винта. После сборки датчик устанавливается своей опорной плоскостью на горизонтальное основание и арретирующий винт закручивается в стенку корпуса до упора. При этом иглы вдавливаются в фиксаторы. В рабочем состоянии арретирующий винт должен быть выкручен из корпуса и упругая система приобретает свободный ход.

Для крепления  датчика к объекту исследований на фланцевых выступах корпуса имеются  четыре отверстия под винты МЗ. На корпусе имеется маркировка: «+ 5 В», «Вых.», «Аррет.» и «→», обозначающая соответственно разъемы питания, выхода, арретирующий винт и положительное направление вибро-ускорения вдоль оси чувствительности, при котором изменение периода выходных импульсов происходит в сторону увеличения.

Рисунок 4.2 - Конструкция  сейсмодатчика па ПАВ: 1-корпус;2,3-крышка;

4,5–платы АГ1, АГ2; 6-плата НЧ тракта; 7–упругий элемент,8-держатель;9-хомут;

10-инерционный  элемент; 11 - прижимные устройства;12 - пружина; 13 - фиксатор;

14,15,18,19 - детали  крепления;16,17 - арретирующее устройство; 20 - разъем СР-50.

Датчик без  переналадки может использоваться для измерения любых компонент ускорений [10].

Заключение

Современный этап развития электроники характеризуется  широким внедрением акустоэлектронных устройств в системах телевидения и связи. Важнейшей частью акустоэлектронных устройств являются акустоэлектронные радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах, содержащие пространственно разнесенные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) на пьезоэлектрической подложке. Встречно-штыревые преобразователи являются частотно-избирательными пассивными элементами и обеспечивают бегущий режим поверхностно акустических волн (ПАВ).

Среди всех акустоэлектронных  устройств господствующее положение  на рынке информационных систем занимают пассивные акустоэлектронные радиокомпоненты на поверхностно акустических волнах.

Потребность в  устройствах на ПАВ обусловлена  такими их преимуществами, как: широкая номенклатура операций по обработке сигналов, реализация заданных технических характеристик с высокой точностью, очень малый вес и габариты, отсутствие энергопотребления, высокая надежность и стабильность параметров в процессе эксплуатации, хорошая повторяемость характеристик, совместимость технологии изготовления с технологией изготовления микросхем и микросборок.

Рабочий диапазон частот устройств на ПАВ составляет от 3–10 МГц до 3ГГц, а значение относительной ширины полосы пропускания 0,01–100%. Используя последние достижения технологии и специально разработанные конструктивные решения, удалось поднять верхнюю границу частотного диапазона до 5 ГГц и выше.

Обработка в  реальном масштабе времени, отсутствие настройки, совместимость с планарной микро- и наноэлектронной технологией изготовления, воспроизводимость характеристик и другие уникальные свойства акустоэлектронных приборов позволяют реализовать такие важные функции, как частотную селекцию, обработку в реальном масштабе времени, псевдослучайный поиск рабочих частот, эталонирование и стабилизацию частоты.

К недостаткам  устройств на ПАВ можно отнести  достаточно высокую стоимость изготовления, жесткие требования к технологии изготовления и относительно высокие вносимые потери.

С учетом современного уровня технологии изготовления микроэлектронной аппаратуры и массового производства акустоэлектронных компонентов стоимость изготовления постоянно снижается. Для уменьшения вносимых потерь существуют и постоянно разрабатываются новые специальные конструкции устройств, поэтому этот недостаток также может быть преодолен.

Отмеченные  недостатки несоизмеримы с достоинствами  устройств на поверхностно акустических волнах и их применение - часто наиболее выгодный, а иногда и единственно возможный способ реализации заданных технических характеристик.

 

 

Библиографический список

1. Балышева О.Л. Материалы для акустоэлектронных устройств: Учебное пособие ГУАП. - СПб., 2005. 50 с.

2. Покровский Ф.Н. Материалы и компоненты  радиоэлектронных средств: Учебное пособие для вузов. -  М: Телеком, 2005 . – 350 с.

3. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1987. — 232 с.

4. Соловьянова И.П., Шабунин С.Н.. Теория волновых процессов: Акустические волны: Учебной пособие, Екатеринбург, 2004. 142 с.

5. Ермолов И. Н., Алешин Н. П., Потапов А. И. Акустические методы контроля, М., 1991 – 283с.

6. Акустоэлектроника // Словари и энциклопедии на Академике. URL: http://dic.academic.ru

7. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты: М – Советское радио, 1987. – 251с.

8. Рычина Т.А. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы – М.: РАДИО И СВЯЗЬ, 1989. – 352 с.

9. ГОСТ 28170-89 Изделия акустоэлектронные. Термины и определения.

10. Абрамов О.К. Перспективные  датчики для инженерной сейсмометрии на энергообъектах: Душанбе, 1994.