УДК 621.3.08.087.47:621.039
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
В.К. Киселев, И.А. Князев, С.М. Никулин, Г.В. Труфанова
Рассмотрена приро да поверхностных волн и эффекты второ го порядка, сопровождающие возбуждение, распространение и детектирование ПАВ, нали чие которых позволяет разрабатыват ь различные конструк ции дистанционных беспрово дных датчиков. Рассмотрены две группы датчиков, основанные на двух различных эффектах: датчики, использующие чувствительность пьезоэлектрической подложки к изменени ю физических параметров, и датчики, в которых информа ционный сигнал модулируется с помощ ью чувствительных элементов вне шних исполнительных устройств и произве дена оценка влияния вне шней электрической нагрузки на коэффи циент акустического отражения ПАВ.
В настоящее время в промышленности используется множество потенциально опасных объектов, которые требуют постоянного контроля за их целостностью, перемещением в пространстве и технологическими параметрами в процессе эксплуатации. Слежение за состоянием объектов осуществляется с помощью различных датчиков. К основным недостаткам такого контроля относятся наличие гальванической (проводной) связи между датчиком и устройством согласования с объектом и наличие источника электрического питания в месте размещения датчиков. Поэтому особый интерес представляет создание дистанционных, энергонезависимых датчиков, активация которых осуществляется импульсом через радиоканал. Построение таких датчиков возможно с использованием устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1, 2].
Схематически иллюстрация возбуждения и распространения ПАВ приведена на рис. 1. Для возбуждения поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках в большинстве случаев используются встречно-штыревые преобразователи (ВШП), представляющие систему
Рис.1. Схематическое представление возбуждения и распространения ПАВ
из двух вложенных друг в друга гребенок проводящих электродов [3, 4]. С помощью ВШП осуществляется как прямое преобразование энергии электрических сигналов в акустические волны, так и обратное преобразование этих волн в электрические сигналы.
Переменное электрическое напряжение, поданное на входной ВШП, под действием пьезоэлектрического эффекта вызывает механические напряжения материала в промежутках между штырями. Появляющиеся механические колебания той же частоты, что и частота приложенного сигнала, возбуждает акустическую волну, распространяющуюся в обе стороны от входного преобразователя. Энергия волны экспоненциально затухает при распространении вглубь материала и обычно локализуется в приповерхностном слое толщиной в несколько длин волн. В одном из направлений волна затухает в поглощающей среде, в другом — достигает выходного преобразователя, где обнаруживается с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта.
Основным носителем информации в различных устройствах являются ПАВ, условия распространения которых отличаются от идеальных. Они обусловлены эффектами первого порядка, под которыми обычно понимают процессы преобразования электрического сигнала рабочей частоты в полезный акустический сигнал и обратную трансформацию, однозначно определяемые топологией используемых преобразователей. Все другие побочные явления, сопровождающие возбуждение, распространение и детектирование полезной ПАВ и также определяющие параметры приборов на ПАВ, называют эффектами второго порядка [5]. Для большинства применений устройств на ПАВ эффекты второго порядка оказываются нежелательными и с ними борются как конструктивными, так и расчетно-аналитиче-ским методами. Однако для применений устройств на ПАВ в качестве различных датчиков эти эффекты представляют наибольший интерес. К ним относятся эффекты, определяемые взаимодействием ПАВ с электродной структурой ВШП и внешней электрической цепью, а также эффекты, обусловленные чувствительностью характеристик материалов звукопровода и преобразователей к влиянию внешних дестабилизирующих факторов: температуры, давления, влаги, радиации и т. п. Использование других эффектов вызывает значительные трудности, связанные с неоднозначностью их воздействия на условия распространения акустической волны.
Входной электромагнитный Задержанный
сигнал электромагнитный сигнал
8
вепвогв & Systems • № 10.2003
Поэтому исследовалась возможность построения датчиков на ПАВ, основанных на указанных эффектах второго порядка.
Работа датчиков, использующих чувствительность пьезоэлектрической подложки к изменению физических параметров, основывается на влиянии измеряемой величины на характеристики материала звукопровода и, как следствие, на условия распространения акустической волны.
Температурное воздействие в устройствах на ПАВ проявляется в виде теплового расширения материла подложки, вследствие чего изменяется длина пути акустической волны и значения упругих постоянных, влияющих на ее скорость у пав- Оба эффекта определяют значение температурного коэффициента задержки (ТКЗ) акустической волны — величины, характеризующей изменение времени прохождения акустической волны в зависимости от температуры.
ТКЗ определяется из выражения:
ТКЗ = 1,
т д!
где ' — температура, т — время задержки сигнала. _ /
(1)
Учитывая, что т :
, где / — длина пробега для
^ПАВ
ПАВ, можно записать ТКЗ следующим образом:
ТКЗ = 1 ^ — / дТ
1
ду
ПАВ
-па^ = ткр — ткс, ст
где ТКР — температурный коэффициент расширения для заданного направления, ТКС — температурный коэффициент скорости.
Таким образом, величина ТКЗ не зависит от длины пробега /.
Обычно относительное изменение времени т невелико, а зависимость т (') линейна, поэтому величина ТКЗ практически постоянна. В работе А.И. Слободника [6] приводятся данные о величинах ТКЗ и температурных коэффициентах скорости для ряда материалов. Для датчиков, предназначенных для измерения температуры, необходимо выбрать материал подложки с наибольшим ТКЗ (у ниобата лития У=-среза значение ТКЗ =
= 94 • 10—6/°С).
Относительное изменение времени задержки от температуры с учетом (1) определяется, как:
'т/т (Т0) = ТКЗАТ.
На рис. 2 приведена зависимость относительного изменения времени задержки Ат/т(То) ниобата лития У=-среза от температуры ' (считается, что при 'о = 25 °С изменение времени задержки равно нулю).
Поскольку работа устройств на ПАВ основывается на возбуждении, прямом и обратном преобразовании электромагнитной волны и получении информационного сигнала, то для изготовления датчика практический интерес представляет получение зависимостей таких параметров сигнала, как амплитуда и фаза, от воздействующего измеряемого фактора.
Рассмотрим влияние температуры на частотные характеристики устройства с двумя преобразователями (см. рис. 1), которое находится при температурах '1 и '2, где '1 — температура, при которой характеристика устройства считается идеальной. Если т1 и т2 — времена
Рис. 2. Зависимость относительного изменения времени задержки от температуры
задержки между некоторыми двумя точками при температурах '1 и '2 соответственно, то можно ввести малую величину е, такую, что
т2 = т!(1+е). (2)
Если т линейно зависит от ', то:
е =ТКЗ('2 — '1).
Допустим, что выражение (2) справедливо для любых двух точек вдоль пути распространения. Так как по предположению дисперсия пренебрежимо мала, изменение температуры вызывает изменение временного масштаба импульсной характеристики, которая описывается функциями } при температуре '1 и } при температуре '2, следовательно, можно записать следую -щее соотношение:
^}=ш -
Считается, что импульсные характеристики соответствуют режиму короткого замыкания, т. е. оба преобразователя нагружены на нулевые электрические сопротивления, чтобы исключить влияние температуры на электрические цепи. Частотные коэффициенты передачи #1(ю) и #2(ю) при температурах '1 и '2 являются преобразованиями Фурье от функций } и ^и} соответственно. Используя теорему об изменении масштаба, получаем:
Н2 (ю) = Н1(& [1 + е]).
Если воспользоваться записью:
Н1(ю) = А1(ю) ехр у ф1(ю)], Н2(ю) = А2(ю)ехр уф2(ю)], А2 (ю) = А1(ю [1 + е]),
то:
Ф2 (ю) = Ф1(ю [1 + е]).
Следовательно, масштаб АЧХ и ФЧХ с изменением температуры изменяется по частоте в (1 + е) раз.
Полученные выражения вполне приемлемы для практических оценок температурных эффектов.
Рис. 3. Зависимость относительного изменения скорости от деформации для подложки из Ы1ЬОз У=-среза
Время прохождения акустической волны по звуко-проводу можно также изменить с помощью механического напряжения. Деформация подложки приводит к изменению не только длины пути, но и скорости распространения ПАВ.
Относительное изменение фазы ПАВ под влиянием деформации среды определяется соотношением:
А< = А/ . ' V
< / V
ф = 63
А V
ф
^ф ^ф
где 5р — деформация в направлении распространения волны, / — расстояние между двумя преобразователями, Vф — фазовая скорость.
Изменение скорости распространения ПАВ зависит от нескольких причин: изменения модулей упругости под действием деформации; изменения плотности деформированного вещества; распространения ПАВ в среде с механическими напряжениями в соответствии с видоизмененными уравнениями движения.
На рис. 3 представлен график изменения скорости ПАВ для подложки из П1ЬОз У=-среза от деформации в направлении распространения [3] в зависимости от отдельных факторов (изменения модулей упругости и плотности, наличия начальных напряжений) и представлен суммарный результат при одновременном воздействии этих факторов. Как следует из приведенных данных, влияние изменения плотности материала подложки довольно мало, а эффекты, обусловленные начальными напряжением и изменением модулей упругости, нейтрализуют друг друга, поэтому полное относительное изменение скорости незначительно. Следовательно, в материалах типа П1ЬО3 У=-среза влияние относительного изменения скорости на задержку фазы распространяющейся ПАВ пренебрежимо мало по сравнению с эффектами, связанными с удлинением деформируемой среды.
Таким образом, при использовании влияния температуры и деформации на амплитуду, фазу, время задержки сиг
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.