Введение к работе
Актуальность исследования.
Проблема беспроводного дистанционного контроля физических параметров (давления, температуры, влажности и др.) в настоящее время осуществляется с помощью различных датчиков по радиосигналу, т.е. к датчику придается радиопередатчик, который осуществляет беспроводную передачу информации от датчика. Все передатчики требуют источник питания. Возникает необходимость его периодической замены. Так как датчик может быть установлен в труднодоступном месте (например внутри вакуумной камеры технологической установки) или использоваться в условиях, при которых невозможна замена источника питания при работающем контролируемом объекте (например непрерывный цикл получения наноструктур), это часто невозможно. Неудовлетворенная потребность в подобных датчиках по данным ВТО составляла в 2012 более двух триллионов штук.
В предлагаемых датчиках проблема замены источника питания отсутствует. Такой датчик может быть установлен в труднодоступном или опасном месте лишь однажды. Разработка данных устройств позволит:
1. Создать системы беспроводного дистанционного контроля физических параметров (давления, температуры, влажности, радиоционного фона) в труднодоступных местах, не требующих питания, монтируемых однократно и позволяющих осуществить комплексный мониторинг напряженного состояния и ресурсной способности (наличие трещин, расслоений, дефектов и т.п.) узлов и конструкций, технологических режимов, а также безопасности обслуживающего персонала с одновременной идентификацией нескольких тысяч подобных устройств.
2. Создать системы беспроводного непрерывного получения и обработки информации о состоянии параметров технологического процесса и прочности конкретных узлов и инженерных конструкций ответственного назначения в течении времени физического существования датчика.
3. Создать системы беспроводного дистанционного контроля за параметрами (давлением, температурой, влажностью и т.д.) различных биологических объектов, с целью обеспечения их безопасности и безопасности окружающих их других биологических объектов;
Можно считать системы беспроводного дистанционного контроля физических параметров на поверхностных акустических волнах разновидностью систем радиочастотной идентификации с использованием ПАВ устройств, обладающей теми же самыми преимуществами.
Беспроводная радиочастотная идентификация (РЧИД) предложена Массачусетским технологическим университетом, как одна из десяти ведущих технологий 21 века. Любая система идентификации подразумевает наличие объекта идентификации, промаркированного меткой, и некоего считывателя, который считывает закодированную информацию с метки и на основе считанной информации осуществляет идентификацию. Основой РЧИД технологии является эффект модуляции отраженного радиосигнала за счет управления эффективной поверхностью рассеяния радиоконтрастных объектов. РЧИД, по своей сути, является симбиозом технологий радиолокации и радиосвязи.
Датчик монтируется на объекте и служит его идентификатором. Датчики могут быть двух типов: активные и пассивные. Радиочастотные обычно включает в себя приемник, передатчик, антенну и блок памяти для хранения информации. Приемник, передатчик и память конструктивно выполняются, как правило, в виде отдельной микросхемы (чипа).
Пассивные датчики не имеют собственного источника питания, а необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала. Преимуществом пассивных датчиков является практически неограниченный срок их службы (не требуют замены источников питания). Недостаток пассивных датчиков в необходимости использования более мощных устройств считывания информации, обладающих соответствующими источниками питания.
РЧИД на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является одним из лучших воплощений пассивной радиочастотной метки, так как она свободна от недостатков наиболее широко используемой во всем мире пассивной РЧИД метки с накоплением на основе смарт карты, в которой недостатком является длительная фаза заряда конденсатора, и как следствие не высокая скорость работы всей системы в целом.
Особо важно отметить низкую зону контроля, возможность подделки не в промышленных условиях, а также низкий уровень излучения (как для датчиков так и для устройств идентификации), требуемый для обнаружения отраженных импульсов, что очень важно при наличии в зоне считывания живых объектов.
Поэтому разработка таких устройств в настоящий момент, когда пассивные датчики устройства идентификации только начинают широко внедряться, является актуальной задачей.
Цели и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка конструкционных и технологических решений создания пассивных датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и встречно-штыревых преобразователей (ВШП) для беспроводного дистанционного мониторинга физических параметров (давления, температуры, напряженного состояния) и идентификации объектов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать, изготовить и исследовать датчики на основе линий задержки на ПАВ (ЛЗ на ПАВ) с уменьшенным вносимым затуханием с задержками 4 – 10 мкс, в диапазоне частот 100-2400 МГц.
2. Исследовать отражения ПАВ от встречно-штыревых преобразователей (ВШП) в зависимости от типа и величины нагрузки подключаемой к ВШП, величина которой изменяется от различных физических воздействий, для датчиков дистанционного контроля физических параметров.
3. Разработать и изготовить радиочастотных идентификационных датчиков с отражателями с убывающим коэффициентом отражения для компенсации затухания ПАВ в системе отражателей.
4. Разработать и изготовить для датчиков , согласованной с ВШП, направленной антенны для связи ЛЗ на ПАВ с приемо-передатчиком.
Объект исследования.
Объектом исследования является датчики на основе линий задержки на поверхностных акустических волнах, в которых параметры ПАВ зависят от внешних воздействий, что позволяет измерять различные физические величины, устройства идентификации, а также связанные с ними антенны, считыватели, необходимые для связи с датчиком и обработки информации.
Предметом исследования являются различные ориентации пьезоэлектрических кристаллов, а также акустоэлектронные элементы, входящие в состав приборов на ПАВ. К последним относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), конструкции антенн, электронные схемы.
Методологическая и теоретическая основа исследования.
Исследования распространения и возбуждения поверхностных акустических волн (ПАВ) в произвольных пьезоэлектрических кристаллах и слоистых структурах, существенный вклад в которые внесли российские ученые И.А.Викторов, Ю.В.Гуляев, В.И. Пустовойт, положили начало новому направлению в электронике - акустоэлектроники. Основные преимущества и конкурентноспособность акустоэлектронных приборов по сравнению с другими классами аналогичных устройств заключаются в возможности значительного уменьшения габаритов и массы компонентов, технологичности изготовления, стабильности параметров и относительно невысокой стоимости.
В числе информационных источников диссертации использованы: а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров; б) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.
Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Предложена оригинальная конструкция пассивного датчика на ПАВ, позволяющего измерять различные физические величины.
Предложена оригинальная конструкция отражателей на основе датчиков на ПАВ с убывающими коэффициентами отражения для компенсации затухания.
Предложены конструкции датчиков, позволяющих не только измерять некоторую физическую величину, но и производить идентификацию измеряемого объекта.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в промышленность:
Новых конструкций датчиков на ПАВ и систем контроля за ними.
Новых конструкций РЧИД меток на ПАВ для систем безопасности.
Новых конструкций датчиков совмещенных с РЧИД метками на ПАВ, позволяющими не только измерить физическую величину, но и идентифицировать объект, на котором он расположен.
Научные положения, выносимые на защиту:
Для формирования датчиков и радиочастотных идентификационных меток с уменьшенным вносимым затуханием с целью повышения рабочих частот необходимо использовать однонаправленные ВШП, в которых межэлектродные зазоры равны четверти длины ПАВ на центральной частоте преобразователя, а также ВШП работающие на пространственных гармониках.
Применение в датчиках ЛЗ на ПАВ с задержками 4-10 мкс и с отражательными ВШП, нагруженными на внешний импеданс позволяет упростить конструкцию за счет того, что физическое воздействие производится не на ЛЗ, а на внешний импеданс, что особенно в диапазоне частот 100-2400 МГц.
Использование ЛЗ с отражательным валиком вместо составной ЛЗ, позволяет значительно упростить конструкцию датчиков давления.
Экспериментальные исследования показали, что для датчиков температуры можно использовать ЛЗ с отражательным ВШП, нагруженным на терморезистор или изменение задержки ПАВ в подожке из-за температуры.
Использование в РЧИД метках отражателей с убывающим коэффициентом отражения и позволяет получать наиболее равномерные импульсные отклики (не более 6 дБ).
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже ХХ1 -века», г.Севастополь, 2001г. , 47-м Международном техническом коллоквиуме, г. Ильменау, Германия, 2002г.; IV, VII, VIII, IХ, X, XI, XII, XIII, XIV Международных научно практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии», г. Одесса, 2003г.; 2006г.; 2007г.; 2008г.; 2009г.; 2010г.; 2011г.; Международных научных конференциях «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ – 2008», «АСТИНТЕХ – 2009», «АСТИНТЕХ – 2010», г.Астрахань; «Стратегическое планирование инновационной деятельности и способы коммерциализации научно-технической продукции», Международная школа-семинар, г.Астрахань, 2008г.; Международная конференция «Мехатроника-2008», «Мехатроника-2009» г. Новочеркасск;; Всероссийская конференция «Мехатроника и робототехника-2010», г. Новочеркасск; Региональная научно-практическая конференция «состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС», г.Волгодонск, 2008, 2009, 2010, 2011гг.; V Всероссийская конференция обучающихся. «Национальное достояние России» г.Москва, 2011г.; XXVII Всероссийская конференция обучающихся. Юность, наука, культура», г.Москва, 2011г.
Результаты работы были внедрены на ряде предприятий РФ
Экономический эффект и внедрение результатов работы. Экономический эффект от внедрения результатов работ за период 2001-2012 гг. превышает 6 млн. рублей
Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 43 научных работы, в том числе в 22 статьях в том числе 3 в международных журналах, 20 тезисах докладов различных конференций и семинаров.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста.
