Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [33] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Ионный источнин ,,

.Радикал" ,мкм/ч

/7ьезо - Охлажда емый элемент Зодой защит-АТ-среза /н1,1й норпус

Кассета с образцами.

-/-

Мишень

Генератор-

6 i,H

Рис, 6-9. Датчик скорости иондаго травления:

а - схема измерения; б - изменения скорости травления пьезоэлементов Г-среза: 7 - прямые измерения толщины; 2 - измерения датчиком

ратуры мишень и пьезорезонатор помещаются в охлаждающую водяную рубашку. При соответствующем режиме перегрев пьезорезонатора не превьинает 5-10 °С. Этому способствует и отсутствие прямой бомбардировки пьезорезонатора ионами благодаря использованию мишени в виде призмы. На рис. 6.9,6 приведен график, иллюстрирующий изменение скорости травления кварцевых пьезоэлементов ЛГ-среза. Для сравнения показаны значения, полученные путем прямого измерения толщины. В качестве датчиков использовались кварцевые резонаторы ЛГ-среза на частоту 5 МГц. Мишень вьшолнялась из пьезокристаллического кварца.

д) Пьезорезонансный анализатор водорода

Все более широкое применение водорода в промышленности и энергетике вьздвигает в ряды актуальных задачу создания высокочувствительных датчиков концентрации водорода. Один из путей решения этой задачи основан на применении пьезорезонансных сорбционных элементов. Аномально высокой сорбционной способностью по водороду обладает металлический палладий. Так, в единице объема металлического палладия растворяется до 10 объемов водорода, что соответствует внедрению в кристаллическую решетку палладия до одного атома водорода на каждый атом палладия [131].

Аномально большой является также скорость диффузии водорода в палладии, достигающая 10"* см/с при комнатных температурах и пре-вьш1ающая скорость диффузии других газов более чем на два порядка. Эти особенности палладия делают привлекательной идею создания пьезорезонансного датчика с палладиевым сорбирующим покрытием. Основа датчика - резонатор ХГ-среза на частоту 12 МГц, на который из электролита осаждалась пленка палладиевой черни с толщиной, эквивалентной понижению частоты резонатора примерно на 100 кГц. Для снижения 200

постоянной времени датчика осаждаемая пленка должна иметь максимально развитую поверхность. Исследования позволили установить, что минимальная концентрация лежит на уровне 10"* в бескислородной среде и 5 -10" в воздушной среде при нормальных условиях. Диапазон измерения 10" - 100% концентрации водорода, шкала нелинейна, погрешность измерений 5 % текущего значения концентрации. Погрешность, вносимая наличием кислорода, равна 8% концентрации кислорода. Инерционность менее 500 мс в диапазоне 0-100 %.

ГЛАВА 7

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ АКУСТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ И ГИРОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ

Акусточувствительность бьша определена нами как эффект модуляции эквивалентных параметров пьезорезонаторов при изменении условий акустического излучения пьезовибратора в контактирующую с ним среду.

Датчики на эффекте акусточувствительности можно разделить на две группы.

К первой следует отнести датчики, в которых пьезовибратор взаимодействует с однофазной средой (газ, жидкость, твердые тела), акустические параметры которой изменяются.

Вторая группа датчиков характеризуется взаимодействием пьезовибратора с двухфазными средами. Сюда нужно относить датчики, в которых модуляция происходит при изменении границы раздела между фазами вещества, приводящем к модуляции условий Излучения. Пример подобного датчика - вибрационный уровнемер. Другая разновидность датчиков второй группы - приборы, реагирующие на фазовые переходы вещества. Например, при температуре плавления материала условия распространения акустической энергии с пьезовибратора в него резко меняются.

Рассмотрение датчиков первой группы начнем с измерительных преобразователей для работы в газовых средах.

7.1. АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА

Первым среди пьезорезонансных был датчик давления, реализованный на эффекте акусточувствительности еще в 1951 г. [151]. В основе работы этого датчика лежала зависимость эквивалентного сопротивления сдвигового резонатора от давления. Как было показано в § 2.4, сопротивление R для сдвиговых волн изменяется пропорционально \/р.Акусточувствительный резонатор находился в прямом контакте с контролируемым газом.



в качестве чувствительного элемента в [151] использовался кварцевый ПР J5r-cpe3a. Резонатор зажимался по периферии. Датчик бьш построен по схеме преобразования давления в интервал времени, зависящий от добротности т ~ 2.

Зависимость т(р) имеет вид

I \/р+ b

(7.1)

где b - коэффициент, определяемый добротностью при р = 0; т - масштабный коэффициент.

Крутизна преобразования максимальна при малых давлениях. Экспериментальная зависимость 11[т(р)] линейна, что находится в полном согаасии с теорией аку сто чувствительности для сдвиговых волн.

Датчик давления на камертонном разонаторе [91]

Наиболее простым и, пожалуй, одним из самых дешевых датчиков давления с частотным выходом можно считать преобразователь с чувствительным элементом в виде пьезокварцевого камертонного резонатора. При использовании в качестве датчика вибратор работает в прямом контакте с газовой средой.

При изменениях давления изменение частоты такого резонатора происходит в основном за счет изменения аэродинамического нагружения поверхностей вибратора в результате изменения плотности газа. При колебаниях вибратора в движение вовлекается некоторый объем окружающей его газовой среды, что оказывается эквивалентным утяжелению вибратора дополнительной, осциллирующей с ним присоединенной массой Мпр. В известной мере эффект аналогичен эффекту масс-чувствительности. Однако имеется принципиальная особенность: масс-чувстви-тельный резонатор удерживает дополнительную присоединенную массу и в отсутствие колебаний. В случае рассматриваемого здесь явления такой фиксированной (присоединенной) массы газа в статическом состоянии у вибратора нет.

Как и для эффекта масс-чувствительности, сдвиг частоты камертона оценивается величиной

(7.2)

(коэффициент 0,5 учитывает, чго в камертоне антисимметрично колеблются две половины вибратора). Длина волны, излучаемой камертонным вибратором в газ, при атмосферном давлении составляет на частоте часового камертона 2 Гц около 10 мм. Поскольку размеры камертона во много раз меньше, для описания эффекта можно представить вибратор в виде пульсирующей сферы. Для пульсирующей сферы присоединяемая масса равна утроенной массе среды в объеме вибратора. С изменением давления пропорционально изменяется и масса М„р, 202

что определяет линейный характер зависимости давление - частота. Если бы вибратор действительно имел форму сферы, то рабочая характеристика такого датчика имела бы вид

Ро Рк

(7.3)

где Ро = 1 кгс/см; о, - плотности газа и кварца; р - измеряемое давление, кгс/см, и для воздуха сдвиг частоты на Ар = 1 кгс/см составлял бы

Af/f = 5,5-10-".

С учетом неравномерного распределения амплитуды колебаний по высоте камертона сдвиг частоты меньше;

Af/f = (2,23,0) .10-".

Это значение хорошо согласуется с экспериментальными данными (2.5-10-").

Основной источник погрешностей такого датчика - изменение температуры. При ее вариациях на ±10 °С температурная погрешность для датчика на давление 1 кгс/см еще лежит на уровне 1%, однако при Д Г = ± 30 ° с учетом параболического вида ТЧХ погрешность уже на порядок выше. Дифференциальным включением (опорный резонатор при этом герметизирован) погрешность можно снизить в 5-20 раз.

Подобный датчик чувствителен к составу газа, что ограничивает область его применений.

Датчик давления иа акустически связанных резонаторах [148]. В качестве датчиков давления используются колебательные системы, составленные из двух пьезовибраторов, акустическая связь между которыми осуществляется через воздушный зазор. Подобный преобразователь может рассматриваться как трансформатор, в котором коэффициент трансформации зависит от значения акустической связи. Последняя при заданных геометрии вибраторов и видах их колебаний определяется зазором и акустическим сопротивлением газа Zj.. Это сопротивление, как показано в § 2.4, пропорционально давлению газа,что и определяет зависимость выходного сигнала такого трансформатора от давления. Если газовый зазор Ig много меньше длины волны, то коэффициент передачи К для идеального газа в адиабатическом приближении определяется как отношение выходного напряжения U2 к входному Ui:

= АроК

(7.4)

где S - площади излучателя и приемника; ро и Ко - соответственно плотность и скорость звука для газа при Г = О °С; А - константа.





200 -

150 -

100 -

50 -

О 20 40 60 80 п,н1)а в)

Рис. 7.1. Датчик давления газа на акустически связанных резонаторах:

а - чувствительный элемент; б - схема включения; в - рабочая характеристика; 1 - металлический вибратор; 2 - пьезопреобразователь

Существенно отметить, что коэффициент передачи в такой системе практически независим от температуры (с точностью до ТКЛР материалов вибраторов и базы, на которой они крепятся). Можно предложить целый ряд конструктивных вариантов вибраторов. Основное требование, предъявляемое к ним, - акустическая волна в целях эффективности передачи должна быть преимущественно продольной.

Вибраторы могут выполняться как монолитными (кристаллы, пьезокерамика) , так и составными. Один из вариантов датчика, выполненного в виде составных резонаторов, связанных через воздушный зазор, показан на рис. 7.1,д. Каждый из составных резонаторов содержит металлический брусок и пьезопреобразователь из LiNbOj. В другом варианте составной вибратор выполняется в виде металлического диска 1 (дурин-вал) и пьезокерамического преобразователя 2 (рис. 7.1,6). Зависимость выходного напряжения такого датчика от давления (рис. 7.1,в) близка к линейной. Порог чувствительности системы составляет 10" - 10" Па. Главными преимуществами такого датчика являются простота и высокая чувствительность. Однако он в принципе должен работать в чистой стабильной по составу газовой атмосфере, исключающей выпадение на пьезоэлемент влаги.

7.2. ДАТЧИКИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ В ЖИДКОСТЯХ

Вибрационный метод широко используется для контроля таких характеристик жидких сред, как уровень, плотность, вязкость [2, 147]. 204


7 4/-, к Гц


z.cm

Рис. 7.2. Датчик уровня жидкости:

а - принципиальная схема: 1 - вибрирующая трубка; 2 - входной пьезопреобразователь; 3 - приемный преобразователь; 4 - генератор; 5 - основание; б -измерительный зонд: 6 - электронная схема; 7 - выходной разъем; в - зависимость уровень-частота для воды и масла

В последнее десятилетие создан ряд новых вибрационных датчиков, в которых используются составнью акусточувствительные элементы, содержащие металлический или стеклянный вибратор, контактирующий с жидкостью, и присоединенный к нему пьезопреобразователь, обеспечивающий возбуждение механических колебаний вибратора.

В качестве примера рассмотрим систему датчиков, реализованную английской фирмой Маркони [ 149].

Датчик уровня содержит зонд в виде цилиндрической полой трубки, к внутренней поверхности которой приклеиваются два пьезокерамических элемента. Один из преобразователей подключается к генератору, управляемому по частоте, и возбуждает изгибные колебания в трубке (рис. 7.2,а). Со второго пьезопреобразователя снимается отклик, поступающий в систему фазовой автоподстройки частоты возбуждающего генератора. Эта система обеспечивает настройку генератора на резонансную частоту вибратора, несмотря на сравнительно низкую добротность колебательной системы. В зависимости от глубины погружения трубки в жидкость меняется и частота колебаний на выходе генератора. В соответствии с [149] изменение частоты характеризуется соотношением

/ р

/ 26

1 + /3 -

\ 1

-1/2

(7.5) 205



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [33] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0009