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

г) Вопросы практического применения ПАВ-датчиков давления

Несмотря на большое разнообразие конструктивных схем датчиков давления на ПАВ, их применение в настояшее время остается весьма ограниченным.

Препятствиями на пути широкого использования этих приборов являются :

сравнительно сложная технология чувствительных элементов, требующая пр1менения высокоточных шаблонов, фотолитографического оборудования, высокой культуры производства, в первую очередь обеспечения жестких требований к чистоте и микроклимату производственных помешений;

трудности обеспечения стабильности электронных узлов датчиков из-за относительно высоких рабочих частот (~ 100 МГц и выше) и невысокой добротности ПАВ-преобразователей;

низкая временная стабильность ПАВ-преобразователей. Даже для лучших приборов временной дрейф частоты лежит на уровне 10" в год, а типичное "среднее" значение составляет 10" - 10~*.

Учитьшая, что полезные изменения частоты в механических ПАВ-дат-чиках обычно не превьппают 0,05-0,1%, можно сделать вывод, что создание датчиков на ПАВ, обладающих погрешностями старения лучше 0,2% за месяц либо 1 % за год представляется труднейшей задачей.

В этой связи наиболее перспективными для применения ПАВ-датчиков давления следует считать задачи, связанные с относительно кратковременными измерениями (минуты-сутки), когда за время измерений не происходит значительных деградаций рабочих характеристик, в первую очередь нуля датчика. Сюда же можно отнести и измерения переменных давлений, при которых постоянная составляющая не несет полезной информации либо может й>1ть учтена. Приведем несколько примеров практического применения датчиков давления на ПАВ, иллюстрирующих высказанные соображения.

Цифровые измерители артериалшого давления. ПАВ-датчик для цифровых измерителей артериального давления вьшолнен по схеме рис. 8.16,в.Профилированная мембрана закрепляется на основании стандартного корпуса типа "Талисман". В основание вмонтирован патрубок для подвода давления в подмембранное пространство. Датчик вьшолнен по дифференциальной схеме и размещается на электронной плате измерителя. Разностная схема выполняется отдельно и удалена от чувствительного элемента на расстояние менее 10 мм.

На мембране реализованы два резонатора на частоту примерно 100 МГц. Чувствительность датчика 0,5 Гц/Па, разностная начальная частота Примерно 20 кГц, нелинейность в диапазоне 0-4.Ю Па не превышает 0,1 %, гистерезис менее 0,1 %.

Датчики разрежения для электронных систем управления двигателями внутреннего сгорания (ДВС) [171]. В микропроцессорных системах управления ДВС автомобилей получили распространение полупроводни-248

ковые датчики мембранного типа с токовым выходом. Для сопряжения с процессором они требуют промежуточного аналого-цифрового преобразователя, что в жестких условиях эксплуатации автомобиля представляет серьезную проблему. Применение ПАВ-датчика с частотным выходом позволяет исключить АЦП. Большая крутизна преобразования, присущая ПАВ-датчикам (0,2-0,5 Гц/Па), обеспечивает высокую частоту считьшания информации с датчика при хорошем разрешении. Датчик разрежения французской фирмы "Томпсон-ЦСФ" [171] выполнен в виде интегральной мембраны диаметром 10 мм и толщиной 0,25 мм, сформированной в толстой подложке размером 25 х 25 мм. На внешней стороне подложки сформированы две линии задержки на частоту около 105 МГц. Одна из ЛЗ выполнена в центре мембраны, другая на периферии. Центральная ЛЗ имеет чувствительность 0,18 Гц/Па, периферийная - 0,22 Гц/Па. Чувствительность дифференциальной автогенераторной схемы, таким образом, составляет около 0,4 Гц/Па. Начальная разностная частота 16 кГц. Температурная погрешность в диапазоне -40 -г + 120 ° С составляет около 2,5%.

ПАВ-гидрофоны. Гидрофоны предназначены для приема и преобразования сигналов переменных акустических давлений, распространяющихся в воде и других жидкостях. Традиционно эти устройства реализуются на основе преобразователей, работающих на прямом пьезоэф-фекте.

В гидроакустических системах буйкового типа с передачей информации по радиоканалу сигналы давления предпочтительней передавать путем частотной модуляции несущей радиосигнала. В этом случае более оправданным является применение гидрофонов с частотным выходом, в том числе и датчиков на ПАВ.

ПАВ-гидрофон, описанный в [179], выполнен по схеме датчик? давления с изгибом опирающегосй по краям стержня (рис. 8.13,d). Основой ЧЭ служили линии задержки ПАВ из ниобата лития с центральной частотой около 45 МГц, либо ПАВ-резонаторы 5Г-среза с частотой около 80 МГц и добротностью 2,5 -10". Размеры подложек варьировались в пределах от 25 до 75 мм. Датчик строился по автогенераторной схеме. Как показьшают несложные оценки, при приеме звуковых давлений в воде девиация частоты на выходе гидрофона мала: 50 Гц; Af/f 10"*, что создает проблемы для последующей демодуляции и обработки сигнала. Преобразование девиаций частоты в напряжение, повторяющее закон изменения давления, осуществляется с помощью контура фазовой автоподстройки. Измерительный сигнал поступает в контур фазовой автоподстройки не сразу, а после двух преобразований частоты. При этом глубина модуляции возрастает в 2000 раз и повышается до приемлемого уровня 0,05-0,1%. С помощью ПАВ-гидрофона удается регистрировать пульсации давлений на уровне чув ствительностей лучпшх гидрофонов. Недостатком такого гидрофона является большая неравномерность АЧХ, что, вероятно, связано с механическими резонансами в конструкции.



в [178] предложен вариант гидрофона, выполненный по схеме рис. 8.13,г с дв)тия резонаторами на одной стороне кварцевой гюдпож-ки 5Г-среза диаметром 13 и толщиной 0,5 мм. Резонаторы имеют частоты близкие к 62 МГц и добротность Q около 2,5 Ю". Давление на край кварцевого диска, закрепленного консольно, подводится через металлический стержень от тонкой приемной мембраны. Датчик выполнен по дифференциальной автогенераторнон схелк. Исследования такого гидрофона в полосе рабочих частот 0-100 Гц показывают, что дпя давления на уровне 1 Па отношение отгнал-шум на его выходе оказывается в области высоких частот оогоставимым с аналогичным показателем для калиброванных гидрофонов, В то же время на низких частотах у ПАВ-гидрофона соотношение сигнал-шум заметно возрастает (60 дБ у ПАВ против 35 у калиброванного гидрофона).

8.11. ПАВ-АКСЕЛЕ«Ч)МЕТРЫ

Акселерометрам на ПАВ присущи многие достоинства датчиков ускорения на ОАВ. Потенциальное преимущество ПАВ-акселерометров -более высокий уровень конструктивной интеграции, возможность существенного сокращения числа деталей и соединений между ними.

Принцип действия акселерометров на ПАВ аналогичен принципу действия приборов на ОАВ. Выходной частотный сигнал вырабатывается в результате деформаций подложки, на которой сформирован один или несколько ПАВ-преобразователей, под действием усилия, создаваемого при ускорении инерционной массы. Всю совокупность конструкций ПАВ-акселерометров можно разделить на две большие группы, различающиеся взаимной ориентацией оси чувствительности (04) и нормали к плоскости ПАВ-преобразователей.

К первой группе относят конструкции, в которых ось чувствительности перпендикулярна нормали к плоскости ПАВ-преоазователей.

В этом случае 04 лежит параллельно плоскости с ПАВ-преобразователями.

Ко второй группе относят конструкции, в которых ось чувствительности совпадает с нормалью к плоскости, в которой лежат ПАВ-преобра-эовагели. Обычно нормаль совпадает с направлением толщины подложки. Эта группа охватьтает многочисленные разновидности схем с изгибом пластин, стержней и др. Чувствительность таких схем, как уже отмечалось, может достигать больших значений, однако при этом падает жесткость и резонансная частота конструкции. Важное достоинство датчиков этой группы - возможность реализации подвижной системы в интегральном виде без дополнительных дискретных упругих подвесов. й)актичес-ки роль упругого подвеса в этих конструкциях выполняет подложка с ПАВ-преобразователями. Придавая соответствующую конфигурацию подложке, можно формировать требуемую АЧХ акселерометра. Благодаря этому преобразователи второй группы получили большее распространение [184-188,168]. 250

Основные разновидности ПАВ-акселерометров приведены на рис. 8.17. Приборы первой группы представлены дифференциальной хемой {Мс. 8.17,а, в которой ускорение вдоль 04 вызывает сжатие одного и растяжение другого ПАВ-резонатора. Влияние поперечных ускорений, в первую очередь нормальных к плоскости подложки, в значительной степени подавляется идентичностью реакций двух плеч дифференциальной схемы. Остальные схемы рис. 8.17 относятся ко второй группе. Простейшая конструкция - консольная с инерционной массой на конце - реализуется в нескольких вариантах, различающихся расположением ПАВ-преобразователей (на одной или двух плоскостях) и их ориентацией относительно длины консоли. Консоль может выполняться сплошной (рис. 8.17,6) либо разрезной (рис. 8.17,в,д), что позволяет варьировать характержстики пртбора в широких пределах. В частности, в схеме рис. 8.17,г дважды дифференциальная схема включения четырех ПАВ-ре-зонаторов (по два сверху и снизу на каждой половине консоли) позволяет подавить чувствительность к угловым ускорениям вдоль длины консоли.

Представляется заманчивой идея реализации акселерометра с конструктивно интегрированной массой. В принципе для этого наилучшим образом 1ЮДХ0ДИТ схема рис. 8.17,д. В ней роль ИМ выполняет свободная часть консоли, которая люжет бьяь развита как по длине, так и в высоту. Чувствительность преобразователя варьируется изменением гео-метржи прорези. В сумме это позволяет в широких пределах управлять характеристиками такой системы. В предельном случае, когда прорезь отсутствует, схема вырождается в простейшую консольную.

Источник нестабильностей консольных конструкций - зона присоединения консоли к основанию. В схемах рис.8.17,<), е этот недостаток устранен за счет интегрирования элементов. Удаление зоны крепления кристаллического элемента от зоны размещения ПАВ-преобразователей позволяет заметно снизить его дестабилизирующее влияние.

Представленные схемы консольного типа не обладают симметрией -центр масс не лежит на оси геометрической симметрии. Такие схемы, как известно, обладают значительной поперечной чувствительностью. Переход на симметричные конструкции позволяет существенно подавить этот эффект. Разновидности таких конструкций представлены на рис. 8.17,лс-л. Схема рис. 8.17,ж представляет собой консоль, опирающуюся в центре. Две идентичные массы закрепляются по краям. Симметрией обладает и "обращенная" схема с центральным расположением массы и закреплением консоли по краям (рис. 8.17,з). В датчиках этого типа можно истюльзовать как простейшую, так и дважды дифференциальную схемы.

Конструкции рис. 8.17,м-л отличаются более высокой симметрией и выполнены на основе круглых мембран. В схеме рис.8.17,« мембрана с ПАВ-преобразователями опирается по центру. Инерционная масса в виде кольца прикреплена к краю мембраны.



1 04

-77,

им-,

] a)


Рис. 8.17. Конструктивные схемы ПАВ-аксеперометров

"Обращенная" схема с центральным расположением ИМ представлена на рис. 8.17,к:. Здесь применены две мембраны, работающие под действием ускорения дифференциально. В конструкции предусмотрен дополнительный подвес, защищающий от влияния боковых компонентов. Вариант мембранного акселерометра (рис. 8.17/г) отличается применением дополнительной низкочастотной пружины П, обеспечивающей защиту от высокочастотных перегрузок.

8.12. ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В резонаторах на ПАВ стоячая волна в резонансной полости характеризуется чередованием узлов и пучностей механических деформаций на поверхности звукопровода. Их пространственный период определяется частотой ПАВ. При неизменной частоте это распределение фиксировано. В известной степени систему узлов и пучностей деформаций (или напряжений) в стоячей ПАВ можно уподобить системе прозрачных и темных полос в оптических интерференционных решетках, которые с успехом используются для измерений линейных и угловых микроперемещений [149]. Указанная аналогия использована для реализации датчиков микроперемещений [189] на ПАВ. Принцип действия простейшего ПАВ-датчика микроперемещения иллюстрируется рис. 8.18,а. Для упрощения пояснений на рис. 8.18,а показаны отражатели ПАВ-резонатора, между которыми устанавливается стоячая волна длиной X с периодической сменой узлов и пучностей колебаний.

Как известно, ПАВ создает вблизи поверхности электрическое поле, имеющее те же пространственный период и частоту. Если вблизи пьезоподложки поместить зонд, чувствительный к этому полю, то его перемещения в горизонтальном направлении будут вызывать периодические изменения амплитуды выходного электрического сигнала подобно тому, как это имеет место в датчиках с оптическими интерференционными решетками. Подсчитьтая число узлов или пучностей электрического сигнала и зная расстояние между ними, можно определить перемещение зонда относительно звукопровода ПАВ. Длина волны ПАВ, как уже отмечалось, на практике может лежать в пределах от долей до десятков микрон. Таким образом, при разрешении на уровне иХ можно регистрировать перемещение в несколько микрон. Эту величину можно улучшить еще на порядок, используя известный прием интерполяции (раз-&1ения на подуровни) амплитуды гармонически изменяющегося сигнала в пределах перемещения на одну полуволну. В результате получаемые точности уже оказываются близки к достижимым точностям оптических (лазерных) интерферометров при значительно большей простоте. Изложенный принцип ПАВ-микрометра был развит в [190-192]. В качестве зонда для снятия сигнала был использован второй звукопро-вод с преобразователями ПАВ, размещенный вблизи первого и параллельно ему. Вместо стоячих использовались бегущие волны. Варианты



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



0.0008