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

менное напряжение, пропорциональное угловой скорости . Вращение вокруг других осей появления зарядов на электроде 5 не вызьшает. Таким образом, гиропреобразователь чувствителен только к одной составляющей частоты вращения.

Возбуждение резонансных колебаний изгиба в рассмотренной конструкции может быть осуществлено несколькими способами. Один из способов аналогичен используемому для возбуждения колебаний изгиба в пьезопластине. Возбуждающее напряжение подается в противофазе на верхний и нижний электроды и Эг. В результате в верхней и нижней частях накопителя возникают противофазные сдвиговые деформации в плоскости XY.

Возбуждение изгибных колебаний осуществляечя в автогенераторной схеме (рис. 7.6,г). Последняя реализуется на основе усилителя Vi, имеющего два противофазных входа и два противофазных выхода. Противофазные выходы подключены к электродам возбуждения 3i и Эг на накопителе 7, сигнал положительной обратной связи для поддержания автоколебаний снимается с электродов Эз и эа на накопителе 2. Выходное напряжение с центрального электрода вибратора 5, пропорциональное частоте вращения, после усиления в Уг подается на демодулятор Д. Сигнал опорной фазы поступает на демодулятор с одного из выходов усилителя Vi. Полярность и значение постоянного тока в цепи измерительного прибора ИП соответствуют направлению и значению частоты вращения. Виброгироскоп имеет следующие характеристики:

Рабочий диапазон измерения, рад/с 0,01-100

Чувствительность, В • с/рад....... 5

Нелинейность, % ............. Не более 0,5

(в диапазоне

100-1)

Поперечная чувствительность, % . . . . Менее 0,5 Чувствительность к линейным ускорениям ................... Менее 0,05%

верхнего предела на 10 м/с

Полоса Пропускания, Гц (при неравномерности АЧХ 1%) .......... 0-100

Напряжение питания, В......... 28

Время готовности, с........... Менее 5

Потребляемая мощность, Вт...... Менее 1,5

Габаритные размеры, см........ 06,25 х 5

Масса, г................... 280

Наряду с рассмотренной дискретно-компонентной конструкцией получила распространение конструкция монолитного гиропреобразователя, выполненного из пьезокерамики (рис. 7.7).

Основу устройства составляет тонкостенный пьезокерамический цилиндр. Неоднородная поляризация и соответствующее расположение электродов обеспечивают возбуждение в цилиндре изгибных колебаний с противофазным движением верхней и нижней половин элемента


Рис. 7.7. Цилиндрический виброгироскоп:

а - цилиндрический гиропреобразователь; б - изгибные колебания цилиндра; в - крутильные деформации при вращении цилиндра; г - конструкция гиропреобразователя; 1 - пьезокерамический цилиндр; 2 - электроды поляризации ("+" и "-" - знаки поляризующего потенциала); 3 - электроды возбуждения; 4 - выходные электроды; 5 - платформа; 6 - кольцо крепления

(рис. 7.7,6). При вращении цилиндра вокруг его оси с угловой скоростью силы Кориолиса стремятся скручивать верхний и нижний торцы цилиндра попеременно с частотой возбуждающего напряжения (около 100 кГц) по часовой стрелке и против нее в плоскости, нормальной высоте цилиндра (рис. 7.7,в). В результате в цилиндре возникают крутильные колебания, вызывающие в каждом элементарном объеме знакопеременные сдвиговые деформации по толщине. Последние преобразуются в электрическое напряжение, пропорциональное угловой скорости вращения О, . Выходные электроды располагаются на внеишей поверхности пьезоэлемента в областях, поляризация которых создает разность потенциалов при кручении.

Крепление цилиндра к платформе осуществляется по узловой линии, в середине цилиндра (рис. 7.7,г).

Схемное рещение цилиндрического ВПГ аналогично рассмотренному вьше. Единственное принципиальное отличие заключается в использовании (взамен авто генераторного) режима возбуждения колебаний от внешнего кварцевого генератора. Этим обеспечивается требуемая ста-бил ьно сть ча сто ты.



Цилиндрический гиропреобразователь имеет следующие характеристики [1]:

Максимальная измеряемая угловая

скорость, у гл. град/с........... 500

Порог чувствительности, угл. град/с 0,5 Скорость дрейфа, угл. град/с за 1 мин 0,25

Мощность возбуждения, Вт....... 0,001

Общая потребляемая мощность (с

электронной схемой), Вт........ 0,32

Напряжение возбуждения, В...... 6

Частота возбуждения, кГц....... 91

Масса цилиндра, г............. 1,3

Высота цилиндра, мм.......... 11,17

Диаметр цилиндра, мм ......... 12,3

Толщина стенки цилиндра, мм..... 1,15

Масса преобразователя, г........ 20

Цилиндр Выполняется из пьезокерамики цирконата титаната свинца. Геометрические размеры подбираются таким образом, чтобы резонансные частоты колебаний изгиба и кручения совпадали между собой.

В этом случае обеспечивается наиболее высокая крутизна преобразования устройства (около 20 мкВ/угл. град/с). Основными факторами, снижающими точность ВПГ, являются воздействия температуры и больпюй сигнал нуля.

Пьезоэлектрические вибро гироскопы не получили широкого практического распространения. Серьезную конкуренцию им в последние годы составляют лазерные датчики угловой скорости, характеризующиеся существенно большей чувствительностью и стабильностью нуля (0,005 °/ч) [152]. Благодаря прогрессу в волоконной оптике лазерные гироскопы удалось существенно уменьшить в габаритах и стоимости, и сегодня на повестку дня поставлен вопрос о широком применении этих приборов, в том числе и в системах управления автомобилями.

Тем не менее попытки создания малогабаритных и дешевых пьезо-гироскопов умеренной точности предпринимаются и в последние годы. Так, фирмой Ватсон (США) разработаны пьезогироскопы с чувствительностью на уровне 144°/ч, массой 280 г и потреблением менее 300 мВт [152].

Фирма Коллинз Авионикс (США) в 1985 г. [153] сообщила о создании комбинированного гироскопа с пьезоэлементами, установленными на роторе, вращающемся с частотой 3200 об/мин, существенно более низкой, чем у обычных непьезоэлектричесьотх гироскопов (24 тыс. об/мин) . Применение четырех пьезоэлементов позволяет производить двухкомпонентные измерения. Могут оказаться эффективными комбинированные гироскопы и других типов, в частности с использованием для возбуждения и сьема сигналов пьезоэлектрических пленочных преобразователей, нанесенных на монолитную колебательную систему из высоко стабильно го стекла или сплава.

ГЛАВА 8 ПАВ-ДАТЧИКИ

8.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

В заключительной главе книги рассмотрены пьезорезонансные датчики, основу которых составляют пьезопреобразователи на поверхностных акустических волнах (ПАВ). В последнее десятилетие датчикам на ПАВ уделяется все более пристальное внимание, что находит отражение в растущем потоке публикаций по этому вопросу. Этот интерес вызван двумя основными моментами;

постоянно улучшаются электрические характеристики преобразователей на ПАВ, в первую очередь их добротность, температурная и временная стабильность, расширяется диапазон рабочих частот;

технология приборов ПАВ в значительной степени базируется на прогрессивных приемах, применяемых при производстве изделий микроэлектроники с использованием процессов фотолитографии, групповых процессов планарной обработки подцожек и тл. Это создает предпосылки для массового производства высококачественных преобразователей.

Возможность существования на свободной граниде твердого тела упругих поверхностных волн бьша предсказана теоретически в 1885 г. лордом Рэлеем. На практике эти волны удавалось наблюдать при землетрясениях, они характеризовались слабым проникновением в глубь земли, локализуясь в тонком приповерхностном слое.

В приборостроении рэлеевские волны начали интенсивно применяться в 50-х годах нашего века в качестве инструмента неразрушающего контроля состояния поверхностей и приповерхностных слоев материалов и конструктивных элементов. Это оказалось возможным вследствие высокой чувствительности скорости распространения и затухания ПАВ к физическим характеристикам приповерхностных зон исследуемого твердого тела [14-16].

Наличие этих эффектов в принципе открывало возможности реализации новых типов датчиков. Однако практическая целесообразность подобных Приборов еще полтора-два десятилетия оставалась проблематичной - простых малогабаритных и высокоэффективных преобразователей для возбуждения и приема ПАВ тогда еще не существовало.

В середине 60-х гг. в технике появились твердотельные электронные устройства на ПАВ. Конструктивно они представляли подложку из пьезокристаллического материала, на одной из плоских, обычно полированных поверхностей которой формировалась гребенка проводящих электродов, предназначавшаяся как для электрического возбуждения ПАВ, так и для их приема - обратного преобразования в электрический сигнал. Пьезоприборы на ПАВ получили широкое распространение в технике обработки радиосигналов диапазона 10-1000 МГц благодаря малым габаритам. На сегодня ПАВ пртменяются для построения линей-



ных устройств-фильтров, линий задержки, резонаторов и генераторов на их основе. На них реализуются и нелинейные преобразователи-корреляторы, конвольверы; акустооптические модуляторы и др. [11-18]. Современные методы субмикронной литографии позволяют создавать ПАВ-устройства с рабочими частотами до нескольких гигагерц.

Впервые общая идея применения твердотельных ПАВ-преобразовате-лей в качестве чувствительных элементов датчиков была сформулирована в [27].

Публикации по датчикам на ПАВ стали регулярно появляться начиная с 1974 г., что бьшо связано с интенсивным развитием ПАВ-приборов в целом. Однако и сегодня еще рано говорить о становлении этого направления.

Не будет сильной натяжкой относить ПАВ-датчики к измерительным преобразователям пьезорезонансного типа, поскольку им присуща комбинация основных качеств, характеризующих ПРД:

колебательная система обладает пьезоактивностью;

как электромеханический преобразователь ПАВ-прибор (при соответствующей топологии электродов) обладает частотоизбирательными свойствами;

работа ПАВ-датчиков, как правило, основана на модуляции параметров распространяющихся поверхностных акустических волн, приводящей в конечном счете к перестройке эквивалентных электрических характеристик ПАВ.

Как разновидность ПРД ПАВ-датчики во многом заимствуют разработанные ранее подходы и идеи конструирования ПРД. Однако целый ряд специфических особенностей, присущих только ПАВ-преобразователям, дает ключ к созданию принципиально новых типов ИП. И не исключено, что именно на пути использования этих специфических свойств будут достигнуты наиболее существенные достижения в технике ПАВ-датчиков.

В датчиках на ПАВ получили распространение два основных типа преобразователей - линии задержки и резонаторы.

8.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАВ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Существует большое число разновидностей поверхностных акустических волн. Они могут распространяться вдоль плоской свободной границы твердого тела (волны Рэлея), вдоль границы твердого тела и твердого слоя (волны Лява), на границе двух жестко соединенных твердых тел (волны Стоунли) [13,14,18].

В пластинах распространяются волны Лэмба и другие разновидности поперечных нормальных волн. Изучены особенности распространения при контакте твердых тел с жидкостями; в изотропных материалах и кристаллах, в диэлектриках, полупроводниках и металлах при распространении волн как вдоль плоских поверхностей, так и вдоль криволи-216

нейных. Эти вопросы рассмотрены в целом ряде работ [13, 18]. Особое место занимает работа [И], в которой бьши заложены основы создания твердотельных ПАВ-преобразователей.

Даже беглое рассмотрение физики распространения известных типов поверхностных волн из-за ограниченного объема книги невозможно. В настоящей главе внимание концентрируется в основном на ПАВ-при-борах, использующих волны Рэлея в пьезоэлектрических кристаллах.

Расчет характеристик вопн Рэлея в монокристаллах требует проведения значительного объема вычислительных работ. Основные особенности этих волн можно показать на примере изотропной среды. В этом случае скорость V/J реэлеевской волны в неявном виде определяется соот-нощением

2 - W

2 = 4

1 - (v/vj)

( J J (8.1)

где Vi п Vj- скорости поперечной (сдвиговой) и продольной объемных волн в материале подложки.

Скорость ПАВ всегда чуть меньше скорости объемной сдвиговой волны в материале. Для волны, распространяющейся вдоль поверхности, рэлеевская волна характеризуется двумя составляющими смещения. Одна из них - вдоль направления смещения; другая - в направлении нормали к плоскости распространения.

При смещениях частицы описывают эллипсы в направлении, обратном направлению распространения. Смещение имеет значительную амплитуду только на расстоянии от свободной поверхности не более нескольких длин волн. Энергия поверхностной волны, таким образом, сконцентрирована в узком подслое вблизи поверхности. Амплитуды смещений имеют порядок 10" X.

В анизотропных средах ПАВ обладают теми же основными свойства-1 ми - эллиптической поляризацией, уменьшением амплитуды вглубь под-

/ ложки, независимостью фазовой скорости от частоты. Однако анизотро-

\ ПИЯ вносит ряд специфических моментов;

фазовая скорость зависит от направления распространения; направление вектора потока энергии может не совпадать с направлением волнового вектора;

плоскость эллиптической поляризации не обязательно совпадает с * плоскостью, содержащей волновой вектор и нормаль к поверхности

(саггитальная плоскость);

затухание вглубь подложки описывается суммой синусоид, затухающих по экспоненте (для изотропной подложки - суммой экспонент). Если подложка обладает пьезосвойствами, то скорость распростране- ния зависит от электрических условий на поверхности или вблизи нее.

Относительная разность скоростей ПАВ Д V/V = (К„ - К)/Кна электрически закороченной (металлизированной) поверхности К„ и свобод-



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



0.008