Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние и перспективы развития энергонезависимых дистанционных датчиков 12
1.2 Дистанционные беспроводные энергонезависимые датчики на различных физических эффектах 12
1.3 Акустоэлектронные датчики на ПАВ устройствах 16
1.3.1 Анализ эффектов управления параметрами ПАВ 16
1.3.2 Датчики на ПАВ с использованием чувствительности подложечного материала 20
1.3.3 Датчики на ПАВ с внешними чувствительными элементами 27
1.4 Дистанционный контроль физических параметров объектов с использованием энергонезависимых датчиков на ПАВ 30
1.5 Выводы и постановка задач исследования 34
Глава 2 Исследование возможности построения акустоэлектронных датчиков на основе вариации коэффициента акустического отражения ПАВ внешними чувствительными элементами 38
2.2 Преобразователь поверхностных акустических волн 38
2.3 Модель ВШП с подключенной нагрузкой 45
2.4 Исследование влияния коэффициента акустического отражения от выходного ВШП линии задержки на ПАВ на амплитуду информационного сигнала 48
2.5 Анализ влияния величины нагрузки ВШП на коэффициент отражения ПАВ и амплитуду информационного сигнала 51
2.6 Использование трансформации сопротивлений отрезком длинной линии для построения датчиков на ПАВ с резистивными и емкостными чувствительными элементами 58
2.7 Экспериментальные исследования зависимости коэффициента ф акустического отражения от величины и характера нагрузок ВШП 64
Глава 3 Исследование изменения амплитуды выходного сигнала путем управления энергией возбуждения преобразователей внешней нагрузкой 70
3.2 Исследование возможности управления энергией возбуждения ПАВ 70
3.3 Исследование влияния внешней нагрузки между преобразователями на амплитуду выходного сигнала 73
3.3.1 Импульс однократного прохождения 74
3.3.2 Импульс двойного прохождения 75
3.3.3 Анализ зависимостей амплитуд импульсов однократного и двойного прохождения от величины внешней нагрузки 80
3.4 Сравнение эффективностей датчиков, основанных на принципе вариации коэффициента акустического отражения и принципе управления энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой 82
3.5 Применение кольцевого фильтра для построения датчиков на его основе 85
Глава 4 Практическая реализация датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами 91
4.2 Методика исследований датчиков 91
4.3 Датчики, основанные на принципе вариации коэффициента акустического отражения 92
4.3.1 Датчик давления 93
4.3.2 Двухпороговый датчик температуры 96
4.3.3 Аналоговый датчик температуры 99
4.4 Датчики с внешним управлением энергией возбуждения ПАВ... 102
4.4.1 АЛА Сигнализатор давления 103
4.4.2 Сигнализатор температуры 105
4.4.3 Датчик положения 108
4.4.4 Датчик освещенности 111
4.5 Испытания датчиков в составе системы дистанционного контроля 114
4.6 Выводы 115
Заключение 117
Библиографический список использованной литературы 119
Приложение 1
- Акустоэлектронные датчики на ПАВ устройствах
- Анализ влияния величины нагрузки ВШП на коэффициент отражения ПАВ и амплитуду информационного сигнала
- Исследование влияния внешней нагрузки между преобразователями на амплитуду выходного сигнала
- Датчики, основанные на принципе вариации коэффициента акустического отражения
Введение к работе
Актуальность темы. В сфере научно-исследовательских работ особая роль принадлежит государственному регулированию, которое учитывает особенности современной международной и внутренней ситуации и исходит из необходимости не допустить отставания от мирового уровня в развитии критических технологий в области важнейших видов наукоемкой продукции. Федеральная целевая программа «Национальная технологическая база» на 2002-2006 годы, измененная и дополненная на период до 2010 года и дальнейшую перспективу, определила основные направления развития науки, техники и промышленности. К ним, в частности, относится разработка акустоэлектронных технологий и компонентов, в том числе интегрированных датчиков, фильтров, преобразователей и других компонентов перспективных электронных систем, разработка технологий производства новых поколений акустоэлектронных и магнитоэлектронных устройств с минимальными размерами элементов.
Датчики как самостоятельные, конструктивно автономные средства измерений,
размещаемые в месте отбора информации, исполняющие функцию преобразования
измеряемой величины в электрическую или электромагнитную величину [1], стали
важнейшими элементами информационно-измерительных систем, систем
автоматического управления технологическими процессами и аналитических
измерений. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием
автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых
технологических процессов, переходом к гибким высокопроизводительным автоматизированным производствам [2].
Поиск новых типов средств измерительной техники в развитых странах осуществляется постоянно, при этом расширяется круг используемых материалов и технологий [3]. К настоящему времени стало совершенно ясным, что микроэлектронная технология вносит радикальные улучшения буквально во все типы датчиковой аппаратуры. Это приводит к тому, что традиционные принципы преобразования (тензорезистивный, пьезорезистивный, пьезоэлектрический, индуктивный, емкостный и др.) получают дальнейшее развитие вплоть до радикального улучшения метрологических и конструкторско-эксплуатационных характеристик, особенно таких как повышение надежности, уменьшение габаритных
размеров и массы. Однако это требует нового мышления, ухода от стереотипных решений, использования при проектировании датчиков новых конструкционных материалов.
Роль датчиков, таким образом, является определяющей в любой измерительной системе. От их характеристик все в большей мере зависит надежность и достоверность получаемой информации. Технический облик датчиков в значительной степени влияет на уровень самих средств контроля и диагностирования, на степень их унификации. Поэтому развитие и совершенствование парка современных датчиков, а также разработка датчиков, основанных на новых принципах действия, можно выделить как одно из важнейших направлений повышения надежности и безопасности контролируемых объектов.
Данные задачи приобретают особую значимость в области разработки датчиковой аппаратуры для измерения параметров, определяющих физическое состояние особо важных объектов [4-10].
По информации, поступающей от датчиков можно прогнозировать развитие опасных ситуаций, а следовательно, и предотвращать их. Поэтому, для современных производств электроэнергии на АЭС, тепловых и гидроэлектростанциях, производств химических, взрывчатых и радиоактивных веществ недооценка значения измерений и контрольно-измерительной техники на основе датчиков приводит, в лучшем случае, к недостижению поставленных целей, а в худшем случае - к катастрофам, которые случались в атомной, ракетно-космической, авиационной промышленности и других отраслях.
Эксплуатация таких объектов как реакторные энергетические установки АЭС производится в жестких условиях воздействия агрессивных сред и нагрузок при повышенных температурах и радиационного фона. Все существующие системы измерений построены по проводной схеме. Кабельные линии связи являются недолговечными в условиях эксплуатации вблизи ядерного реактора и ненадежными при возникновении аварийных ситуаций, требуют применения гермовводов, средств обеспечения пожаробезопасности и т. п. Большинство датчиков требуют введения в измерительные линии преобразующих устройств, работа которых обеспечивается источниками электропитания. В аварийных ситуациях возможно отключение источников энергопитания и потеря информации.
Для повышения надежности получаемой информации о состоянии промышленно-опасных объектов в жестких условиях эксплуатации требуется:
резервирование проводных линий связи с датчиком,
создание энергонезависимых, пассивных датчиков, которые позволят повысить пожаро- и взрывобезопасность, увеличить ресурс работы и снизить затраты на обслуживание и эксплуатацию,
обеспечение термостойкости и радиационной стойкости датчиков.
В настоящее время зарубежными учеными ведутся работы по созданию датчиков, отвечающих заданным требованиям (фирма Siemens). Предпочтение отдается акустоэлектронным датчикам [11-14], обеспечивающим высокую температурную и радиационную стойкость и позволяющим осуществлять энергонезависимый дистанционный съем информации. Из всех типов акустоэлектронных устройств с точки зрения практических применений наибольший интерес вызывают приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), распространяющихся вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком приповерхностном слое. Этот интерес обусловлен, возможностью создания приборов с разнообразными характеристиками, возможностью доступа к поверхности материала на пути распространения волны, а также технологией изготовления приборов на ПАВ по стандартной планарной технологии интегральных схем.
Энергонезависимые дистанционные датчики могут быть реализованы на базе хорошо изученных и широко используемых линий задержек на ПАВ, в которых чувствительность самой пьезоэлектрической подложки к воздействию измеряемой величины положена в основу работы прибора [15 - 37]. Линия задержки является не только первичным чувствительным элементом к измеряемой величине, но и позволяет задержать информационный сигнал на достаточную величину для исключения мешающих отражений от окружающих предметов. Однако принцип работы таких датчиков предполагает непосредственное взаимодействие измеряемой среды со звукопроводом (в датчиках давления, газовых сенсорах), что сопровождается воздействием внешних неблагоприятных факторов, таких как влага, механические загрязнения, что влечет за собой изменение граничных условий и, как следствие, потере информационного сигнала. Хрупкость пьезоэлектрической подложки в датчике давления ограничивает диапазон измеряемых параметров и
кроме того, требует принятия дополнительных мер по обеспечению передачи изгибных деформаций к устройству. Такие датчики позволяют проводить только непрерывные измерения физических величин в реальном масштабе времени и не обеспечивают возможность регистрации пороговых значений физических величин, а также одновременного измерения нескольких физических величин.
В связи с этим, ученые из фирмы Siemens предложили идею модулирования параметров отраженной поверхностной акустической волны внешними чувствительными элементами, подключаемыми к линиям задержки на ПАВ [38 - 41]. Такой подход является новым и перспективным для создания энергонезависимых дистанционных датчиков различных физических величин. В этом случае линия задержки является преобразователем состояния внешних чувствительных элементов в информационный сигнал и может быть герметизирована для исключения влияния внешних дестабилизирующих факторов на подложку. Кроме того, датчики с внешними чувствительными элементами позволят проводить одновременные измерения нескольких физических величин и измерения в труднодоступных местах. В связи с тем, что чувствительные элементы могут иметь индуктивный, резистивный и емкостной характер, возникает задача исследования влияния величин и способов их подключения на параметры отраженной ПАВ и амплитуду информационного сигнала.
Цель работы состоит в разработке принципов построения акустоэлектронных энергонезависимых датчиков физических величин с использованием различных индуктивных, емкостных и резистивных внешних чувствительных элементов.
Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории распространения акустических волн в твердых телах, теории радиотехнических цепей и сигналов, методах компьютерного моделирования, методах эквивалентных схем. В экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент.
Научная новизна.
1. Предложены и исследованы принципы построения нового класса
дистанционных энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними
чувствительными элементами и амплитудной модуляцией на основе:
вариации коэффициента акустического отражения,
управления энергией возбуждения ПАВ.
Исследовано влияние величин импедансов активной и реактивной нагрузок на коэффициент отражения ПАВ от структуры встречно-штыревого преобразователя с Целью оценки возможности управления амплитудой информационного сигнала.
Предложено использование трансформации сопротивлений отрезком длинной линии для исследования и построения датчиков на ПАВ с внешними резистивными и емкостными чувствительными элементами.
Впервые теоретически обосновано изменение амплитуды информационного сигнала путем управления энергией возбуждения преобразователей внешней нагрузкой.
5. Новизна работы подтверждена патентами на изобретения конструкций
датчиков, основанных на принципах, предложенных в работе.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу построения нового класса датчиков физических величин на ПАВ с внешними чувствительными элементами, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как работоспособностью в условиях воздействия агрессивных сред и нагрузок, термостойкостью и радиационной стойкостью. Практическая ценность работы подтверждается выписками с международных конференций (см. приложения 1,2).
Практическое использование. Результаты работы использованы при выполнении НИР по разработке датчиков температуры и давления в интересах концерна Росэнергоатом, по разработке датчиков контроля за превышением пороговых значений критических значений ускорения, температуры для контейнеров, предназначенных для транспортировки опасных грузов по заказу РФЯЦ - ВНИИЭФ.
Обоснованность и достоверность результатов работы основаны на использовании известных способов математического описания волновых процессов в ПАВ структурах. Обоснованность предлагаемых в работе принципов построения датчиков подтверждается результатами сравнения теоретических и экспериментальных исследований. Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными испытаниями макетных образцов энергонезависимых дистанционных датчиков на ПАВ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
"Автомир XXI века. Маркировка и идентификация автомобилей и составных частей к ним ", Научно-практическая конференция. Москва, 2001;
Научно-техническая конференция организаций, входящих в Ядерное общество России, Н.Новгород, 2001 г;
"Голубая Ока", 7-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н. Новгород, 2002 г;
"Будущее технической науки Нижегородского региона", региональный молодежный научно-технический форум, Н Новгород, 2002;
"Датчики и детекторы для АЭС", Научно-техническая конференция. Пенза,
2002 г;
"Экологическая и промышленная безопасность". 2 сессия школы-семинара , Саров, 2003 г;
"Голубая Ока", 8-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н. Новгород,
2003 г;
"Будущее технической науки Нижегородского региона", II региональная молодежная научно-техническая конференция, Н Новгород, 2003 г;
Областной конкурс научно-технического творчества молодежи, Н.Новгород, 2002 г.
"Радиационная безопасность: Атомтранс — 2003. Транспортирование радиоактивных материалов", VI Международная конференция, г.Санкт-Петербург, 2003 г.
"Датчики и детекторы для АЭС", II Всероссийская научно-техническая конференция, Пенза, 2004 г;
"Безопасность ядерных технологий. Обращение с радиоактивными отходами", VII международная конференция. Санкт-Петербург, 2004 г;
"Средства аналитики, диагностики и системы автоматизации для ТЭК и атомной энергетики", Седьмой межотраслевой научно-технический семинар. Краснодарский край, Большой Сочи, 2005 г.,
"Датчики и системы - 2005", Международная научно-техническая конференция. Пенза, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, получено 6 патентов на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 78 наименований и 4 приложений. Общий объем работы - 130 страниц.
На защиту выносится:
1. Принципы построения нового класса дистанционных
энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными
элементами и амплитудной модуляцией на основе:
вариации коэффициента акустического отражения,
управления энергией возбуждения ПАВ.
Результаты анализа влияния способов подключения и величин импедансов индуктивных, резистивных и емкостных нагрузок линии задержки на ПАВ на амплитуду информационного сигнала.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик датчиков на ПАВ с внешними резистивными и емкостными чувствительными элементами с использованием трансформирующих свойств отрезка длинной линии.
Результаты экспериментальных исследований акустоэлектронных датчиков физических величин, функционирующих на предложенных принципах.
Конструктивные решения для построения энергонезависимых дистанционных датчиков физических величин на ПАВ с внешними чувствительными элементами.
Акустоэлектронные датчики на ПАВ устройствах
Носителем информации в устройствах на ПАВ являются волны, у которых энергия упругих колебаний сосредоточена в тонком приповерхностном слое твердого тела [47, 48]. В качестве среды распространения используются пьезоэлектрические монокристаллы. Для преобразования электрических сигналов в акустические и обратно, а также для отражения и изменения траектории распространения акустических волн используются металлические многоэлементные структуры, нанесенные на поверхность пьезоэлектрической подложки. С середины 60-х годов для возбуждения и приема ПАВ используются в основном электродные двухфазные преобразователи [49]. Двухфазный преобразователь представляет собой встречно-штыревую систему электродов на поверхности пьезоэлектрика.
Характеристики устройств на ПАВ определяются его топологией, т.е. типом, количеством, взаимным расположением и геометрическими размерами преобразователей и отражателей ПАВ, а также свойствами материала подложки. Топология устройства зависит не только от выполняемой операции обработки сигнала, но и от требуемых технических характеристик. Число различных вариантов топологий современных устройств на ПАВ исчисляется сотнями.
Для предварительных оценок технических характеристик различных устройств на ПАВ введена классификация эффектов первого и второго порядков [50], которые наблюдаются при работе устройств на ПАВ и влияют на их характеристики.
Под эффектами первого порядка понимаются процессы преобразования электрического сигнала рабочей частоты в полезный акустический сигнал и обратную трансформацию, однозначно определяемую топологией используемых преобразователей. Все другие побочные явления, сопровождающие возбуждение,распространение и детектирование полезной ПАВ и таюке определяющие параметры приборов на ПАВ, называют эффектами второго порядка.
Большинство эффектов второго порядка, влияющих на характеристики ПАВ устройств, можно разделить на шесть групп.
Эффекты первой группы обусловлены электростатическими явлениями: неоднородностью распределения электрического заряда по ширине и апертуре электродов преобразователя; зависимостью распределения этого заряда от геометрии электродов и их взаимного расположения в преобразователе.
Эффекты второй группы определяются взаимодействием ПАВ с электродной структурой преобразователя и внешней электрической цепью. К ним относятся: двунаправленность излучения ПАВ; потери на аподизацию; регенерация; отражения от краев электродов вследствие массовой нагрузки на поверхность звукопровода и закорачивания электрического поля металлической пленкой (масс-электрические отражения); омические потери в электродах; неоднородность распределения питающего напряжения вдоль преобразователя из-за омических потерь в контактных шинах. Кроме того, к этой группе относятся искажения АЧХ и ФЧХ, вызванные влиянием согласующих цепей и отражения ПАВ от многоэлектродной структуры преобразователя и несогласованной нагрузки. Следует отметить, что традиционное отнесение влияния согласующих цепей к эффектам второго прядка весьма условно, так как это влияние иногда сопоставимо с эффектами первого порядка.
К третьей группе относятся эффекты, связанные с особенностями распространения ПАВ: дифракцией, дисперсией, генерацией гармоник ПАВ из-за нелинейности свойств материалов звукопроводов, потерями на распространение. Основными причинами затухания распространяющейся ПАВ являются взаимодействия с термически возбуждаемыми упругими волнами, рассеяние на дефектах кристалла, примесях, раковинах и царапинах на поверхности, а таюке потери энергии в воздухе, соприкасающемся с поверхностью.
Эффекты четвертой группы обусловлены влиянием паразитных сигналов: электромагнитной и электростатической наводкой, генерацией и приемом паразитных объемных акустических волн, паразитными акустическими и тепловыми шумами материалов звукопровода и электродов преобразователя, отражениями ПАВ и объемных акустических волн (ОАВ) от краев звукопровода.
К пятой группе относятся искажения, связанные с технологическим погрешностями при изготовлении: ошибки ориентации звукопроводов относительно кристаллографических осей, погрешности угловой ориентации и взаимного расположения звукопровода и преобразователей, отклонение размеров и положения электродов ВШП, обрывы и закорачивания электродов, разброс электрофизических характеристик материалов звукопровода и преобразователей.
Эффекты шестой группы обусловлены чувствительностью характеристик материалов звукопровода и преобразователей к влиянию внешних дестабилизирующих факторов: температуры, давления, влаги, радиации и т.п.
При традиционном применении устройств на ПАВ вышеназванные эффекты второго порядка оказываются нежелательными и с ними борются как конструктивными, так и расчетно-аналитическим методами.
Анализ перечисленных эффектов позволяет сделать вывод, что для создания датчиков физических величин целесообразно использовать эффекты второго порядка, относящиеся ко второй и шестой группам. Это 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, и т.п. Использование эффектов других групп вызывает значительные трудности, связанные с неоднозначностью их воздействия на условия распространения акустической волны.
Эффекты, обусловленные чувствительностью характеристик материалов звукопровода к влиянию внешних дестабилизирующих факторов, легли в основу построения датчиков [51, 15 - 37], схематическое изображение которых представлено нарис. 1.2.
Анализ влияния величины нагрузки ВШП на коэффициент отражения ПАВ и амплитуду информационного сигнала
Как было показано выше, коэффициент акустического отражения в зависимости от проводимости нагрузки, подключенной к ВШП, определяется в соответствии с выражением (2.13), из которого следует, что для теоретических исследований влияния внешней нагрузки на коэффициент акустического отражения от ВШП и, как следствие, на амплитуду информационного сигнала, необходимо провести расчет характеристических параметров выходного ВШП отражательной линии задержки, подключенного к внешней нагрузке. Параметры линии задержки с неаподизованными эквидистантными преобразователями представлены в табл. 2.1.
На основе исходных данных рассчитаны характеристические параметры ВШП:1. Активная составляющая акустической проводимости на центральной частоте (определенная по формуле (2.9)) - G0=1.28-10"3.2. Статическая емкость преобразователя (определяется из формулы (2.11)) - Ст = 2.175-10-12 Ф.3. Проводимость преобразователя на центральной частоте (определяется по Сопротивление излучения (определяется по формуле (2.5)) - Ra = 69.454 Ом.4. Компенсирующая индуктивность на центральной частоте (определяется по Подставив расчетные характеристические параметры ВШП в формулу (2.13), получим численное выражение зависимости модуля коэффициента акустического отражения от проводимости нагрузки на центральной частоте:
Рассчитанный коэффициент акустического отражения равен нулю в режиме короткого замыкания ВШП в связи с пренебрежением масс-электрической нагрузкой.
Существует широкий класс индуктивных, резистивных, емкостных чувствительных элементов, применение которых может быть использовано в качестве нагрузки ВШП. С этой целью исследуется их влияние на коэффициент акустического отражения и амплитуду информационного сигнала для определения рабочего диапазона информационного сигнала.
В Главе 1 п. 1.4 определен уровень допустимых потерь в датчике, равный 50 дБ для обеспечения рабочей дальности 10 м. Соответственно при амплитуде зондирующего импульса 1 В уровень шума составляет 3 мВ. Задаваясь двойным превышением над уровнем шума, уровень квантования равен 6 мВ, исходя из которого определяется количество различимых состояний чувствительного элемента в полученном динамическом диапазоне информационного сигнала.На рис. 2.7-2.9 представлены графики зависимостей модуля коэффициента акустического отражения от различных нагрузок, рассчитанные из выражения (2.14) и соответствующие им зависимости амплитуды информационного сигнала (2.18).
Из анализа зависимости коэффициента акустического отражения от величины резистивной нагрузки (рис. 2.7) следует, что при ненагруженном выходном ВШП коэффициент акустического отражения определяется только характеристическими параметрами самого преобразователя и составляет 0.3, соответственно амплитуда информационного сигнала - 29 дБ. Подключение любой резистивной нагрузки всегда ведет к уменьшению амплитуды отраженного сигнала. Таким образом, датчики с резистивными чувствительными элементами (рис. 2.7 б) имеют динамический диапазон информационного сигнала от 30 дБ до 50 дБ с 5 состояниями чувствительного элемента при вариации величины сопротивлений от 20 Ом до 500 Ом (линейный участок функциональной зависимости).
Подключение емкостного чувствительного элемента с минимальной емкостью 1 пФ (рис.2.8) дает ослабление выходного сигнала порядка 32 дБ, увеличение емкости до 10 пФ обеспечивает увеличение потерь выходного сигнала до 44 дБ. динамический диапазон информационного сигнала составляет 12 дБ. Таким образом, датчик с непосредственным подключением емкости позволяет определить 3 состояния чувствительного элемента.
Особенно важный результат получился при исследовании влияния индуктивной нагрузки. Как следует из рис. 2.9 (а), при величине индуктивности 0.13 мкГн, компенсирующей статическую емкость преобразователя на центральной частоте, коэффициент акустического отражения принимает максимально достижимое единичное значение. Такой эффект объясняется резонансным явлением в колебательном контуре, состоящим из сопротивления излучения, статической емкости преобразователя и индуктивности нагрузки. Соответственно, только в этом случае достигается максимальная амплитуда отраженного сигнала, равная -18 дБ. В результате резонансного эффекта происходит увеличение уровня выходного сигнала на 11 дБ по сравнению с ненагруженным ВШП. Поскольку минимально допустимый уровень потерь в датчике (Глава 1 п. 1.4) составляет 50 дБ, то максимальный динамический диапазон информационного сигнала составляет 32 дБ, при этом количество различимых состояний чувствительного элемента 21. амплитуды информационного сигнала б) от величины индуктивности L
Таким образом, подключение индуктивного чувствительного элемента (рис. 2.9 б) с вариацией индуктивности от 16 нГн до 0.13 мкГн обеспечивает динамический диапазон информационного сигнала от - 50 дБ до - 18 дБ с 21 состоянием чувствительного элемента, вариация величины индуктивности от 0.13 мкГн до 0.4 мкГн обеспечивает динамический диапазон информационного сигнала от -18 дБ до -26 дБ с 12 состояниями чувствительного элемента.
Из зависимостей (2.7-2.9) видно, что наибольший динамический диапазон информационного сигнала (32 дБ) и соответственно наибольшее количество различимых состояний чувствительного элемента (21) наблюдается при подключении индуктивной нагрузки. В связи с этим, предлагается создание аналоговых датчиков с изменением величины индуктивности под воздействием контролируемой величины, а также пороговых датчиков, в которых при воздействии порогового значения измеряемой величины с помощью исполнительного элемента осуществляется переключение двух режимов нагружения ВШП: режима короткого замыкания и режима подключения согласующей индуктивности.
Результаты проведенных в диссертационной работе исследований показывают, что подключением к выходному преобразователю внешних нагрузок резистивного, индуктивного и емкостного характера с изменяемой величиной, можно достаточно эффективно управлять коэффициентом отражения поверхностной акустической волны и как следствие амплитудой информационного сигнала. Это позволяет предложить один из принципов построения дистанционных энергонезависимых датчиков с внешними чувствительными элементами, основанный на вариации коэффициента акустического отражения внешней нагрузкой. Датчики, работа которых основана на данном принципе, обладают потенциальной возможностью регистрации 21 состояния чувствительных элементов с максимальным динамическим диапазоном в 32 дБ.
Исследование влияния внешней нагрузки между преобразователями на амплитуду выходного сигнала
Теоретическое исследование обнаруженного эффекта проводится на примере линии задержки с идентичными входным и выходным ВШП. Эквидистантные и неаподизованные преобразователи можно представить эквивалентной последовательной схемой замещения (рис. 2.3). Эквивалентная схема линии задержки с подключенным переменным сопротивлением между преобразователями представлена на рис.3.4. В ответ на генерацию источником сигнала Е зондирующего радиоимпульса на сопротивлении Rr формируется выходной сигнал, состоящий из двух импульсов. Первый импульс с временем задержки t3 - импульс однократного прохождения ПАВ по звукопроводу, амплитуда которого зависит от распределения энергии возбуждения и второй импульс с временем задержки 2t3, амплитуда которого зависит, как от значения энергии возбуждения, так и от коэффициента отражения ПАВ от преобразователей. В результате, амплитуда, как первого, так и второго импульса зависит от величины сопротивления ZH, подключенного между преобразователями. Для оценки величины энергии возбуждения ПАВ преобразователями необходимо определить значение напряжений на сопротивлениях излучения Rla и R2a преобразователей в момент воздействия зондирующего сигнала. Для этого приняты следующие обозначения: где Ці - комплексное напряжение возбуждения ПАВ первого преобразователя; U? - комплексное напряжение возбуждения ПАВ второго преобразователя. Амплитуда импульса двойного прохождения обуславливается как распределением энергии возбуждения между преобразователями, так и коэффициентами отражений акустической волны от преобразователей, зависящими от внешней электрической цепи. Эквивалентная схема линии задержки с нагрузкой через время задержки 2t3 представлена на рис. 3.5, в которой: где К20ТР, Ккотр - коэффициенты отражения от второго и первого ВШП соответственно. Напряжение на Rr через время задержки 2t3 определяется по (3.5), в которой напряжения эквивалентных генераторов соответствуют (3.7). Коэффициент акустического отражения на рабочей частоте, в зависимости от проводимости нагрузки определяется в п. 2.3 по формуле (2.13). Тогда коэффициенты акустического отражения от первого и второго преобразователей находятся из соотношений: (3.8) Эквивалентные схемы нагружения первого и второго преобразователя показаны нарис. 3.6. Из сравнения зависимостей, представленных на рис. 3.7 - 3.9, следует, что наибольшей амплитудой обладает импульс однократного прохождения. В связи с этим, в качестве информационного параметра целесообразно рассматривать амплитуду импульса однократного прохождения, в то время как наличие импульса двойного прохождения будет свидетельствовать о работоспособности датчика. Наибольшая амплитуда импульса однократного прохождения (-18 дБ) (рис. 3.7-3.9) наблюдается при ZH=0 при условии компенсации параллельного соединения статических емкостей преобразователей на центральной частоте согласующей индуктивностью Lc = — . о)с -2-Ст Датчики с резистивными чувствительными элементами (рис. 3.7), подключаемыми между преобразователями, имеют динамический диапазон информационного сигнала от -18 дБ до -30 дБ с 14 регистрируемыми состояниями при диапазоне вариации сопротивлений от единиц Ом до 500 Ом (участок функциональной зависимости с высокой крутизной). На основании полученной зависимости рис. 3.8 возможно построение порогового датчика, в котором чувствительный элемент подключается между преобразователями и замыкает или размыкает свои контакты при воздействии измеряемой величины. Амплитуда информационного сигнала такого датчика при замыкании преобразователей составит - 18 дБ, при размыкании - 50 дБ. Такое различие амплитуды информационного сигнала позволит с высокой достоверностью определять состояние удаленного объекта. Как следует из рис. 3.8, существует точка пересечения зависимостей, в которой наблюдается равенство амплитуд импульсов однократного и двойного прохождения. Это позволяет рекомендовать построение датчика балансировки при юстировке положения объекта. Подключение емкостного чувствительного элемента с минимальной емкостью 1 пФ (рис.3.8) дает ослабление выходного сигнала порядка 26 дБ, увеличение емкости до б пФ обеспечивает уменьшение потерь выходного сигнала до 20 дБ. В результате датчик с емкостным чувствительным элементом обладает динамическим диапазоном 6 дБ и числом регистрируемых состояний 11. Применение индуктивных чувствительных элементов для создания аналоговых датчиков оказывается затрудненным в связи со сложностями конструктивной реализации малой величины индуктивности и небольшого диапазона ее изменения. Так, анализ зависимости рис. 3.9 показал, что рабочий диапазон индуктивностей лежит в пределах от 16 нГн до 0.13 мкГн. Хотя при этом обеспечивается динамический диапазон информационного сигнала от - 18 дБ до - 30 дБ и число регистрируемых состояний 14. Таким образом, вариация величин импедансов внешних чувствительных элементов между входным и выходным преобразователями линии задержки на ПАВ приводит к перераспределению энергии возбуждения ПАВ между ВШП и соответственно к изменению амплитуды импульса информационного сигнала. На основании этого в диссертационной работе предложен принцип построения датчиков с внешними чувствительными элементами, основанный на управлении энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой. Датчики, работа которых основана на данном принципе, обладают потенциальной возможностью регистрации 21 состояния чувствительного элемента с максимальным динамическим диапазоном 32 дБ, которая реализуема для всех характеров чувствительных элементов. Эффективность формирования информационного сигнала у датчиков, основанных на изменении амплитуды выходного сигнала путем управления энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой и датчиков на основе вариации коэффициента акустического отражения от ВШП, рассмотренного в Главе 2, оценивается сравнением соответствующих зависимостей изменения амплитуды информационного импульса от величины импеданса активной и реактивной нагрузки. Из анализа эффекта изменения амплитуды выходного сигнала путем управления энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой сделан вывод, что в датчиках, основанных на этом принципе, в качестве информационного параметра целесообразно использование амплитуды импульса однократного прохождения. Исходя из вышесказанного, произведено сравнение амплитуды импульса
Датчики, основанные на принципе вариации коэффициента акустического отражения
В Главе 2 предложено создание следующих типов датчиков, основанных на принципе вариации коэффициента акустического отражения:— аналоговых датчиков с изменением величины нагрузочной индуктивности,— пороговых датчиков с переключением режимов нагружения,— аналоговых датчиков с изменением величины резистивных и емкостных нагрузок кабеля.
По каждому типу датчиков разработаны практические конструкции макетных образцов. На конструкцию датчика давления и температуры, разработанную в соответствии с принципом вариации коэффициента акустического отражения, получен патент на В датчике давления на базе линии задержки на ПАВ управление коэффициентом отражения акустической волны от выходного ВШП осуществлялось за счет изменения величины индуктивной нагрузки, подключенной к нему. В исходном состоянии величина индуктивности, рассчитанная в теоретической части, составляет 0,13 мкГн. Эквивалентная схема датчика представлена на рис.4.2. Величина индуктивности изменялась за счет перемещения ферритового сердечника в катушке индуктивности в зависимости от давления воздуха. Внешний вид линии задержки без крышки приведен на рис.4.3. Внешний вид датчика давления представлен на рис 4.4. Устройство преобразования изменения давления измеряемой среды в изменение величины индуктивности состоит из сильфона, перемещающего ферритовый сердечник в катушке индуктивности.
Исследуемый датчик включался в схему измерительного стенда в соответствии с рис. 4.1. Аплитуда зондирующего импульса 1 В.В исходном состоянии датчика давления вьгходная катушка индуктивности имеет величину, компенсирующую статическую емкость преобразователя. В соответствии с теоретическими исследованиями в главе 2, амплитуда отраженного сигнала от выходного ВИШ при такой нагрузке максимальна и при точной настройке согласующей индуктивности составляет - 18 дБ. На практике имеет место неточное согласование как входной, так и выходной индуктивности, а также существуют потери на распространение ПАВ по звукопроводу, не учитываемые в теоретических исследованиях. Вследствие вышеназванных причин максимальная амплитуда выходного сигнала составила - 26 дБ.
Исследование датчика давления осуществлялось путем ступенчатой подачи сжатого воздуха от 0 до 8 атм. с шагом 1 атм. с измерением амплитуды выходного сигнала при каждом значении давления.
Результаты исследований представлены в табл. 4.2 и на рис. 4.5. При увеличении давления возрастает значение индуктивности и соответственно увеличивается расстройка его значения от исходного. В главе 2 п.2.5 представлены теоретические зависимости коэффициента акустического отражения от характера нагрузки. Характер изменения амплитуды отраженного сигнала от нагруженного ВШП, соответствующий изменению коэффициента акустического отражения в зависимости от значения индуктивности, представлен зависимостью на рис.2.9 (б).Сравнение экспериментальных результатов зависимости амплитуды отраженного сигнала от давления (рис.4.5) с теоретической зависимостью, представленной в главе 2 рис.2.9 (б), показало соответствие теоретическим исследованиям.
Двухпороговый датчик относится к типу пороговых датчиков с переключением режимов нагружения.В разработанной конструкции макетного образца, используются два выходных ВШП линии задержки, расположенных по обе стороны и на разных расстояниях от входного преобразователя, что обеспечивает разные времена задержек отраженных импульсов.
Теоретические исследования, проведенные в главе 2, показали, что достижение предельных значений амплитуд отраженного сигнала (коэффициента акустического отражения) возможно в режиме короткого замыкания (амплитуда минимальна) и в режиме нагружения согласованной индуктивностью (амплитуда максимальна). Конструктивно, два режима нагружения можно реализовать с помощью непосредственного подключения сосредоточенной индуктивности компенсирующей величины к ВШП и параллельного подключения чувствительного элемента, замыкающего или размыкающего свои контакты под воздействием измеряемой величины (зависимость на рис. 2.9).
В рассматриваемой конструкции выходные преобразователи подключены к катушкам индуктивности, имеющие величины 0.13 мкГн в соответствии с рассчитанными значениями в Главе 2. Параллельно катушкам индуктивности подключены внешние датчики температуры с разными порогами срабатывания,которые в исходном состоянии замкнуты и размыкаются при превышении пороговых значений температуры.
Эквивалентная схема двухпорогового датчика температуры представлена на рис. 4.6. Внешний вид датчика - на рис.4.7.2. первый порог срабатывания температуры - 40С,3. второй порог срабатывания температуры - 60С.
Экспериментальные результаты, представленные на рис. 4.8 - 4.10 вполне согласуются с теоретической зависимостью рис.2.9, представленной в главе 2 с разницей в максимальной амплитуде информационного сигнала, объясняющейся неточной настройкой согласующих индуктивностей и потерями на распространение ПАВ по звукопроводу.
