Принципы построения измерительных преобразователей на поверхностно-акустических волнах.
Схематически конструкцию измерительного преобразователя на ПАВ можно представить в следующем виде ВШП - встречно-штыревой преобразователь. ВШП представляет собой систему из двух вложенных в друг друга гребёнок, проводящих электроны. С их помощью осуществляется как прямое преобразование электрического сигнала в акустические волны, так и обратное преобразование этих волн в электрический сигнал.
Скорость ПАВ составляет 3000 м с, длина волны - 10 мкм. Апертура преобразователя - 1-2 мкм. Основное применение эта структура находит в системе передачи и обработки информации. Можно использовать как частотный фильтр, модулирующий и демоделирующий элемент. Скорость распределения волны и соответственно задержка сигнала зависит от влияния внешних факторов, таких как температура, давление, влага, радиация и т.д. Используя эти эффекты можно создать измерительный преобразователь соответственной физической величины. Рассмотрим принцип действия датчика температуры на основе этой структуры Тепловое воздействие в этом устройстве проявляется в виде теплового расширения материала подложки.
Вследствие чего изменение длины акустической волны и значение упругих постоянных определяет скорость ПАВ. Оба эффекта определяет значение температурного коэффициента задержки ТКЗ . 1 где -время задержки. где -скорость ПАВ. Дифференцируя 1 и подставляя, получим где ТКР - температурный коэффициент расширения для заданного направления.
ТКС - температурный коэффициент расширения скорости. Следовательно, ТКЗ не зависит от длины L. Обычно относительное изменение времени невелико и зависимость Т - линейная, поэтому ТКЗ практически постоянное, т.е. не зависит от температуры. Для характерного материала ниобата лития ТКЗ 94 10-6 1 С. Относительное изменение времени задержки от температуры будет иметь вид При изготовлении измерительных преобразователей практический интерес представляет зависимость амплитуды и фазы сигнала от измеряемого параметра.
Найдём эту зависимость. Допустим, что температура преобразователя изменяется от Т1 до Т2 и соответственно задержка сигнала изменяется от 1 до 2. Запишем 2 в виде где - малая величина. Изменение времени задержки можно представить как изменение масштаба времени. Пусть и - амплитудно-частотная характеристика и фазо-частотная характеристика при температуре Т1. Найдём вид АЧХ и ФЧХ при температуре Т2. Таким образом изменяется частота на выходе преобразователя Имеем преобразователь с частотным выходом.
Складывая частоты входного и выходного сигналов с помощью квадратичного детектора, выделим частоту биений. Эта частота будет пропорциональна разности температур. Рассмотрим принцип действия датчика давления на основе данной структуры. Время задержки акустической волны можно изменять с помощью механического напряжения. Деформация подложки приводит к изменению не только длины пути, но и скорости распространения ПАВ. 1 Представим, что акустическая волна - плоская гармоническая волна Если расстояние между входным и выходным ВШП L, то получим Разность фаз входного и выходного сигналов сравним в один и тот же момент времени.
Под влиянием механического напряжения меняется скорость и длина. Логарифмируя и дифференцируя, получим Изменение скорости ПАВ зависит от нескольких причин - изменение модуля упругости под действием деформации - изменение плотности деформируемого вещества.
Оказывается, что изменение плотности материала мало, а эффекты, обусловленные изменением модуля упругости и наличием напряжения, компенсируют друг друга. У материалов ниобата лития изменение фазы и задержки сигнала под действием напряжения обусловлены только деформацией материала. При использовании влияние температуры и деформации на амплитуду, фазу и время задержки сигнала в устройствах на ПАВ возможно создание датчиков температуры и давления. 7 Тензодатчики Основным элементом тензодатчика является тензорезистор. Они наилучшим образом удовлетворяют критерию стоимость-эффективность.
Основными характеристиками этих преобразователей являются 1 Температурная и временная стабильность. 2 Погрешность измерения деформации, которая не должна превышать в диапазоне . 3 Длина и ширина датчика должны быть достаточно малы для адекватного измерения деформации в точке. 4 Инерционность датчика должна быть мала для регистрации высоких частот динамических процессов. 5 Линейность отклика датчика в пределах всего диапазона. 6 Экономичность датчика и сопряженных с ним устройств. 7 Минимальные требования к квалификации обслуживающего персонала для установки и проведения измерений.
Тензорезисторы широко используются в качестве чувствительного элемента, датчиков для измерения сил, давления. На тензоэффект впервые обратил внимание Кельвин в 1856 году. Проволочные тензодатчики были вытеснены фольгованными. Полупроводниковые тензодатчики были получены в результате побочного исследования.
Они получили распространение в 60-е годы. Фольговые датчики характеризуются предельной деформацией 5 . 7.1 Тензочувствительность Рассмотрим область упругих деформаций. Взаимосвязь между 1 где S - поперечное сечение. Тензочувствительность это параметр, который определяется как 2 Продифференцируем и прологарифмируем формулу 2 , получим Рассмотрим круглый проводник где -коэффициент Пуассона. 3 В области пластической деформации поэтому выражение 1 выразим через объем 4 Продифференцируем и прологарифмируем формулу 4 считая, что плотность постоянная, получим 5 6 Формула 6 применяется, когда пластические деформации невелики. Когда пластические деформации большие 7 где - относительная деформация.
SR - линейно зависит от. Формулой 7 пользуются широко, но она в экспериментальной проверке. 7.2 Материалы, наиболее используемые в тензодатчиках Материал Состав, SR в области упругой деформации Кокстантант 45Ni,55Cu 2,1 Карма 74Ni,20Cr,3Al,3Fe 2,0 Изоэластик 36Ni,8Cr,0.5Mo,55.5Fe 3,6 Нихром V 80Ni,20Cr 2,1 Платиновольфрам 92Pt,8W 4,0 Армюр Д 70Fe,20Cr,10Al 2,0 Физика изменения удельного сопротивления при деформации материала деформация материалов связана с деформацией решётки. При этом изменяется положение уровня Ферми, что сказывается на концентрации свободных электронов.
В полупроводниках составляющая тензодатчика, связанная с оказывается преобладающей и величиной 1,6 пренебрегают. Особенности материалов 1 Константан - используется в большинстве тензодатчиков, благодаря неизменности тензочувствительности и отсутствию существенных изменений при переходе от упругих деформаций к пластическим.
Он обладает высоким удельным сопротивлением и температурной стабильностью. 2 Сплав карма - по сравнению с константаном обладает рядом преимуществ - может быть скомпенсирован температурно в более широком диапазоне температур - никеле-хромовая основа сплава обеспечивает тензодатчикам более высокие усталостные характеристики - сплав проявляет более высокую временную стабильность, а, следовательно, предпочтителен при измерении статических деформаций на протяжении длительного времени от нескольких месяцев до нескольких лет Недостаток Трудность пайки выводных проводников к контактным площадкам датчика. 3 Изоластик - обладает высокой тензочувствительностью и наиболее высокими усталостными характеристиками, однако он исключительно чувствителен к температуре, а, следовательно, его сфера применения ограничена или динамическими измерениями, или статическими, при которых нестабильность, связанная с температурой, не имеет значения. 4 Нихром V, платиновольфрам, армюр Д Применяют в узкоспециальных приложениях, связанных с высокими температурами, при которых приобретают существенное значение устойчивости к окислительным процессам. 7.3