Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 621.372.6
ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
И. Г. Анцев, С. В. Богословский, Г. А. Сапожников, А. Н. Трофимов
На примере технической реализации макета акселерометра показаны принципы работы дистанционных датчиков с чувствительными элементами на поверхностных акустических волнах. Приведен алгоритм работы системы оценивания показаний устройства по множеству запросных сигналов.
Ключевые слова: дистанционные датчики, поверхностные акустические волны.
ВВЕДЕНИЕ
Преимуществом датчиков на ПАВ [1—3] в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне перед другими типами датчиков, в частности выполненными с применением полупроводниковой технологии, является возможность реализации беспроводных измерений по радиоканалу на больших расстояниях в условиях экстремальных (высоких или низких) температур или сильной радиации. Одно из основных применений — это навигация и управление объектами в космическом пространстве [2]. В качестве критериев качества пассивных беспроводных датчиков, как правило, принимаются два критерия — погрешность измерения и дальность действия всей системы дистанционного измерения.
ОЦЕНКА ДОСТИЖИМЫХ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ НА ПАВ
Датчики на ПАВ, как правило, представляют собой либо
линии задержки (ЛЗ), либо резонаторы.
Чувствительные элементы на основе резонаторов на ПАВ могут обеспечить получение информации с относительной пог-
—3
решностью 0(10 ). Низкая точность датчиков на основе резонаторов на ПАВ определяется, с одной стороны, относительно низкой добротностью резонаторов на ПАВ на высоких частотах более 1 ГГц и, следовательно, относительно низкой кратковременной стабильностью и, с другой стороны, — малой девиацией частоты. Однако для большинства датчиков определяющее значение имеет долговременная стабильность, обеспечивающая межповерочный интервал более 1 года. Для резонаторов на ПАВ долговременная стабильность не превышает 10 6.
Относительная (к номинальной частоте резонатора) девиация частоты датчиков на основе
резонаторов на ПАВ составляет
—3
Б/ < 10 . Поэтому при относи-
—3
тельной погрешности 0(10 )
долговременная стабильность должна быть не более значения
S = sf 0(10-3) < 10-30(10-3) = = 0(10-6).
Таким образом, теоретически достижимая погрешность резонаторных ПАВ-датчиков не превышает 0,1 %. Наилучший промышленно выпускаемый образец фирмы Sensor Technology (Великобритания) имеет погрешность 0,25 %.
Перспективно использование линии задержки (ЛЗ) для измерения физических величин. При измерении физической величины на основе информации об изменении величины задержки погрешность определяется абсолютной величиной задержки, т. е. абсолютным значением расстояния, проходимого ПАВ на поверхности кварцевой пластины. Составляющая погрешности, вызванная изменением скорости распространения ПАВ, является медленно меняющейся величиной, фактически близкой к статической, и может быть
компенсирована по реперным измерениям.
Наиболее точный метод определения величины задержки — фазовый, заключающийся в измерении разности фаз входного и выходного сигналов ЛЗ. Точность измерения фазы определяется точностью применяемой измерительной аппаратуры. Предположим, что относительное изменение времени задержки пропорционально относительному изменению физической величины ДТз = Тзн ДЗКДр,
где ДТз = Тк — Тзн — изменение времени задержки гармонического сигнала при воздействии на пьезопластину; Тк, Тзн — времена задержки сигнала при текущем и номинальном значениях физической величины соответственно; ДКЗ — деформационный коэффициент задержки; Ар = р — рн — изменение воздействия на пьезоплату; р, рн — текущее и номинальное значения измеряемой физической величины соответственно.
Длина волны X определяется выражением
Х = ^ПАВ/Л,
где ^пав — скорость распространения акустической волны по поверхности пьезоплаты; / — частота гармонического сигнала, подаваемого на входной встреч-ноштыревой преобразователь (ВШП) пьезоплаты.
За время изменения задержки ДТз поверхностная акустическая волна проходит дополнительное расстояние А/ = ГпдвДТз. Следовательно, изменение времени задержки связано с изменением проходимого ПАВ расстояния зависимостью
Тз = Д//(Х/о).
При Д/ = X (при задержке ПАВ на один период) измене-
ние времени задержки будет равно периоду входного сигнала ДТз = 1//0. Например, если ЛЗ имеет центральную частоту /о « 1 ГГц, то длина волны ПАВ составит X « 4 мкм (для LiNbOз, 128 срез, X = 3,997 мкм).
При предельно допустимой относительной деформации большинства пьезоматериалов
—3
(бст = 10 ), соответствующей их пределу прочности, допустимое значение абсолютной деформации пьезоплаты Д/ = 4 мкм будет соответствовать абсолютному линейному расстоянию между входным и выходным ВШП, т. е. / = Д//бст = 4 мм.
При максимально допустимой деформации для ЛЗ с линейным пробегом волны / = 4 мм разность фаз ПАВ составит Дф = 360 град.
При измерениях фазометром ФК2-29 (с погрешностью Ъф = 0,2°) относительная погрешность измерения разности фаз Дф составит: Ъф/Дф = 0,2/360 = = 5,55 • 10 4. Следовательно, можно уменьшить относительную погрешность измерений Ъф/Дф, например, в 10 раз, увеличив разность фаз Дф в 10 раз. Для этого достаточно увеличить линейный размер ЛЗ в 10 раз.
Зависимость сдвига фазы от изменения деформации может быть представлена в виде
Дф = ^Г^ = 2пДТз /о =
= 2пДКЗДрТзн /о.
Зависимость погрешностей измерения фазы и физической величины имеет вид:
8(Дф) = ^=рф>5р =
Рн)Тзн М^р =
= 2пДКЗ Тзн /о§р.
Зависимость относительной погрешности измерения физической величины от относительной погрешности измерения сдвига фазы:
Ър/Др = 8(Дф)/Дф,
где Ър, Ъ(Дф) — абсолютные погрешности измерения разности значений физической величины Др и разности фаз Дф соответственно; Ър/Др — относительная погрешность, определяемая по отношению к разности Др измеряемых значений физической величины.
При известных значениях параметров ДКЗ, Тн, /о абсолютную погрешность датчика на ПАВ можно оценить по формуле:
Ър =
1
2п ДКЗ Тзн/о
Ъф.
= а [2пДКЗ(р ар
При увеличении разности фаз или времени задержки, т. е. при увеличении расстояния между входным и выходным ВШП, погрешность измерения пропорционально уменьшается.
С учетом потерь на распространение в ЛЗ и дистанционного характера измерений можно оценить достижимый уровень погрешности пассивных беспроводных датчиков на ПАВ на уровне 0,1 %. Вероятностные характеристики зависят от отношения сигнал/шум и будут оценены ниже.
КОНСТРУКЦИЯ МАКЕТА АКСЕЛЕРОМЕТРА
Макет акселерометра для системы дистанционного мониторинга [4] состоит из упругого элемента, пьезоплаты с топологией ПАВ устройства, СВЧ разъемов и антенны. Одно из отверстий (в зависимости от
34
вепвогв & Эувгетв • № 10.2014
А-А
2 у/л m
особенностей проведения эксперимента) в конструкции упругого элемента макета акселерометра, приведенной на рис. 1, предназначено для крепления к основанию (крепится только через одно отверстие). Для изменения (уменьшения) диапазона измерения ускорений к второму отверстию может быть присоединена дополнительная инерционная масса. Антенна присоединяется к датчику при помощи разъема СРГ-50-716ФВ (рис. 2). Масса макета акселерометра в собранном виде (рис. 3) без антенны составляет 37 г. Диапазон измерения представленного макета ±15^.
Принцип работы акселерометра состоит в деформации упругого элемента, выполненного из упругого конструкционного материала, как правило, металла, под действием ускорения. Эта деформация передается на закрепленную в упругом элементе пьезоплату (см. рис. 3).
Упругий элемент датчика представляет собой два последовательно соединенных параллелограмма Роберваля, развернутых относительно друг друга на 180°. Первый параллелограмм фактически образован корпусом макета. Второй параллелограмм показан на виде Б (см. рис. 1). Особенность конструкции первого (большого) параллелограмма состоит в том, что одна из
Рис. 2. Упругий чувствительный элемент без пьезоплаты
опор, на которой закреплена пьезоплата, выполнена в виде второго (малого, вид Б) параллелограмма Роберваля, развернутого на 90° по отношению к основному.
Жесткость второго параллелограмма вследствие малой толщины (200 мк) двух его сторон минимальна вдоль продольной оси пьезоплаты и максимальна в направлении действия ускорения — вдоль линии, соединяющей центры сквозных отверстий, предназначенных для крепления макета и дополнительных инерционных масс. Такое решение сводит к минимуму дополнительные температурные погрешности, обусловленные разницей в коэффициентах линейного расширения пьезоматериа-ла (ниобата лития) и материала упругого элемента (металла), обеспечивает возможность надежной работы в широком диапазоне температур, от —60 до +85 °С. Кроме того, датчик име-
Рис. 3. Макет пассивного беспроводного акселерометра в сборе
Рис. 4. Схема деформации пьезоплаты
ет Z-образную защиту (см. вид В на рис. 1) от превышения допустимого ускорения, исключающую поломку пьезоплаты при перегрузке.
Схема деформации пьезоплаты при растяжении упругого чувствительного элемента показана на рис. 4. Здесь Ay — перемещение точек крепления
параллелограмма Роберваля по оси у. Поверхности А и B параллельны друг другу. Благодаря наличию второго параллелограмма Роберваля (вид Б на рис. 1) влияние температурного расширения металлического упругого чувствительного элемента на пьезоплату минимально.
Имитационное моделирование выполнялось в среде Comsol. Результаты моделирования (рис. 5) показывают, что распределение механических напряжений имеет знакопеременный характер относительно центра пьезоплаты. Используя селективное травление можно обеспечить заданное знакопеременное распределение напряжений на поверхности пьезоплаты (рис. 6). На рис. 6 показана возможность реализации концентраторов напряжений.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА
В предлагаемой модели (см. также [4]) импульсная переходная характеристика датчика, который в данной задаче может рассматриваться как
Рис. 6. Распределение поверхност
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.