ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ТЕРМОДАТЧИКІВ НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ

2. ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ТЕРМОДАТЧИКІВ НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ

2.1 Принципи побудови акустичних датчиків

Як джерело інформації у вимірювальних перетворювачах на пасивних елементах використовується механічна, або акустична, хвиля. Коли хвиля поширюється усередині матеріалу або по його поверхні, будь-які зміни характеристик траєкторії поширення хвилі впливають на швидкість й/або амплітуду хвилі. Частота й фазові характеристики показують зміну швидкості хвилі.

Практично всі акустичні прилади й датчики для генерування хвилі використають п'єзоелектричні матеріали. П'єзоелектрика була відкрита братами (Пьером і Полем-Жаком Кюрі Pierre й Paul-Jacques Curie) в 1880 р., а назви одержало в 1881 р. від Вільгельма Хенкела (Wilhelm Hankel). П'єзоелектрикою називають електричний заряд, що з'явився в результаті механічної напруги. Твердження вірно й у зворотну сторону. Застосування підходящого електричного поля до п'єзоелектричного матеріалу створює механічна напруга. П'єзоелектричні акустичні сенсори створюють механічні хвилі за допомогою електричного поля. Ці хвилі поширюються в підкладці, а потім, для проведення необхідних вимірів, трансформуються назад в електричне поле.

Поверхневі пружні хвилі зустрічаються в природі часто. З ними зв'язано, наприклад, поширення коливань земної кори (землетрусів) або збурюванні на поверхні води. У цих випадках довжина хвилі являє собою величину від сотень метрів до декількох сантиметрів. Поверхневі пружні хвилі вивчав ще у вісімдесятих роках минулого століття Релей у зв'язку із проблемою визначення епіцентру землетрусів. Він створив теоретичну основу для рішення завдань, пов'язаних з поверхневими пружними хвилями.

Поверхневі пружні хвилі займають істотно менший діапазон, чим зазначено вище: вони укладені в області 10^-5—10^-1см. Такі хвилі відомі як поверхневі акустичні хвилі (ПАХ), хоча їхні частоти відповідають області ультразвуку.

Для порушення й реєстрації ПАХ застосовують п’єзоелектрики, значення яких у зв'язку із цим істотно зросло. Поверхневі акустичні хвилі володіють рядом чудових властивостей, що представляють інтерес для фахівців в області електроніки. Насамперед це (у порівнянні з об'ємними хвилями) їхня доступність і можливість управляти ними у всіх крапках поверхні, де вони існують. Поверхневі акустичні хвилі поширюються зі швидкістю на п'ять порядків нижче, ніж швидкість електромагнітних хвиль, що дозволяє використати методи, застосовувані в діапазоні НВЧ.

Звичайний акустичний пристрій (рис.2.1) складається із двох зустрічно-штирових перетворювачів. Один з них перетворить енергію електричного поля в механічну хвилю, інший проводить зворотне перетворення.

Рисунок. 2.1 Акустичний пристрій

Акустичні пристрої описуються способом поширення хвиль: через або по поверхні п'єзоелектричної підкладки. В основному акустичні хвилі розрізняються по швидкості й напрямками переміщення часток. Залежно від матеріалу й граничних умов можуть бути різні варіанти. Перетворювач кожного датчика створює електричне поле, необхідне для деформації підкладки й, відповідно, формування акустичної хвилі. Хвиля поширюється через підкладку, у якій перетвориться назад в електричне поле й повертається на інший кінець перетворювача. На рис. 2.2 зображено схему типового акустичного пристрою. Переміщення часток поперечних, або зсувних, в хвилі відбувається по нормалі відносно напрямку поширення хвилі. Воно може бути поляризовано таким чином, щоб бути паралельним або перпендикулярним відносно чутливої поверхні. Рух зсувної горизонтальної хвилі позначає поперечні переміщення паралельно чутливій поверхні; рух зсувної вертикальної хвилі - перпендикулярно їй.

Рисунок 2.2 Акустичний пристрій на ОАХ

Хоча цей пристрій був створений досить давно, вимірювання швидкості осадження металу все ще здійснюється за допомогою резонатора товщини сдвиговой хвилі.

Хвиля, що проходить через підкладку, називається об'ємною хвилею. Найпоширенішими пристроями на об'ємній акустичній хвилі (ОАХ) є п'єзоелектричні резонатори з коливаннями зсуву по товщині (КЗТ) і датчики горизонтально поляризованих акустичних плоских хвиль (АПВ).

Якщо хвиля поширюється на поверхні підкладки, тоді вона називається поверхневою хвилею. Найбільше широко використовувані пристрої на поверхневих хвилях - це датчик поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) і датчик горизонтально поляризованих поперечних поверхневих хвиль, також відомий як датчик поверхневої зсувної хвилі (ПЗХ).

Всі пристрої на акустичних хвилях датчиками чутливі до відхилень багатьох фізичних параметрів. Будь-яка зміна в характеристики шляху поширення акустичної хвилі змінить відповідно й результат на виході. Всі датчики будуть працювати в газовому або вакуумному середовищі, але тільки їхня сукупність буде ефективно працювати при контакті з рідинами. Датчики на ПАХ та ОАХ - генерують хвилі, які поширюються в основному в поперечно-горизонтальному напрямку. Поперечна горизонтальна хвиля не випромінює енергію в рідинах, і це дозволяє працювати з рідинами без надмірного загасання. З іншого боку, у датчика ПАХ існує істотний зсув поверхневої нормалі, що приводить до випромінювання хвиль стиску в рідині, і це викликає надмірне загасання. Виключення із цього правила становлять пристрої, що використають хвилі, які поширюються на меншій швидкості, чим швидкість звуку в рідині. У незалежності від компонентів зсуву, такі типи хвиль не поширюються когерентно й у такий спосіб вони відносно не демпфіруються рідинами.

Цікавими для датчиків можуть бути також інші акустичні хвилі, такі як: плоска згінна хвиля, хвиля Лява, приповерхня акустична хвиля й хвиля Лемба. Перед тим, як звернутися до прикладів їхнього застосування, корисно буде коротко розглянути кожний з типів датчиків.

У датчику горизонтально поляризованих акустичних плоских хвиль (рис.2.3), хвиля поширюється між верхньою й нижньою поверхнею пластини, що дозволяє проводити вимір на обох сторонах.

Рисунок 2.3 Датчики на поверхневих хвилях

Резонатор коливання зсуву по товщині, часто називаний кварцовими мікровагами, є найбільш відомим, давно винайденим і простим пристроєм на акустичних хвилях. Як показано на рисунку 6, він звичайно складається з товстої пластини п’єзокварцу Ат-зрізу з паралельними круговими електродами, нанесеними на обидві сторони. Результатом додаткової напруги між цими електродами стає зсувна деформація п’єзокристалу.

Це пристрій відомо як резонатор, тому що п’єзокристал резонує, коли утворяться електромеханічні стоячі хвилі. Зсув досягає граничних значень на грані кристала, що робить пристрій чутливим до поверхневої взаємодії. Довго такий резонатор використався для виміру рівня металізації у вакуумних системах, де він звичайно використався в генераторних схемах. Частота коливань відповідає резонансу кристала й визначає нагромадження маси на поверхні приладу. Наприкінці 1960-х було продемонстровано, як ОАХ- резонатор працює в якості датчик випару.

ОАХ резонатор характеризується простотою виробництва, здатністю витримувати суворі умови навколишнього середовища, температуростійкістю й гарною чутливістю до додаткових мас, напиленим на поверхню пьезокристаллу. Через компонент поширення поперечних хвиль TSM резонатор також може виявляти й вимірювати рідини, що робить його гарним кандидатом у біодатчики. На жаль, ці пристрої мають найнижчу чутливість маси серед всіх датчиків, розглянутих тут. Стандартний ОАХ резонатор працює в межах 5-50 Мгц. Створення дуже тонких пристроїв, що працюють на більше високих частотах може збільшити чутливість маси, але тоншання датчиків нижче стандартних значень приводить до створення неміцних пристроїв, які складно робити й експлуатувати. Останнім часом були пророблені робота зі створення високочастотних ОАХ - резонаторів з використанням п'єзоелектричної плівки й техніки об'ємної мікрообробки кремнію.

Хвилі Релея (рис. 2.4) рухаються вертикально відносно грані поверхні датчика поверхово-акустичних хвиль (ПАХ). ПАХ-хвилі дуже чутливі до змін поверхні, однак не дуже придатні для більшості приладів виміру/визначення рідини.

Рисунок 2.4 Хвилі Релея

Датчики горизонтально поляризованих поперечних поверхневих хвиль використають тонку п'єзоелектричну підкладку, або пластину, що працює як акустичний хвилевід, що втримує енергію між верхньою і нижньою поверхнями пластини (рис. 2.4). У результаті, обидві поверхні піддаються зсуву, так що вловлювання може виникнути на будь-якій стороні. Це важлива перевага, тому що одна сторона містить зустрічно-штировий перетворювач, якому необхідно ізолювати від електропровідної рідини або газів, у той час як друга сторона може бути використаний як датчик.

Рисунок 2.5 Поверхневі хвилі

Енергія поверхневої хвилі замикається в межах однієї довжини хвилі з поверхні (Рис. 2.5) датчика на ПАХ. Ця характеристика дозволяє створювати датчики, дуже чутливі до взаємодії з поверхнею.

Так само як й ОАХ резонатор, відсутність компонента нормалі до поверхні дозволяє датчику вступати в контакт із рідиною й застосовувати його як біодатчик. Датчики на ОАХ в минулому успішно використані для виявлення ртуті в кількості мікрограм на літр, що відповідає рівню відповідного тесту відповідно до Закону про безпечну питну воду. Більше чутливі до навантаження маси від власної ваги чим TSM резонатор, SH-APM менш чутливі чим датчики поверхневої хвилі. На це є дві причини: перша полягає в тім, що чутливість до навантаження маси від власної ваги й інших відхилень залежить від товщини пластини, причому чутливість зростає разом з тоншанням пристрою. Межі товщини визначаються виробничим процесом. Друга причина полягає в тому, що енергія хвилі не досягає граничних значень на поверхні, що зменшує чутливість.

Конструктивно п’єзорезонатори з коливаннями зсуву по товщині виконуються у вигляді тонких плоскопаралельних пластин (круглих або прямокутних) з відношенням довжини (діаметра) до товщини не менш 50 (рис. 2.6, а).

Рисунок 2.6 П’єзорезонатори з коливаннями зсуву по товщині: 1 - п’єзоелемент; 2 - електрод; 3 – токопідвід

Або у вигляді плосковипуклих або двояко-випуклих лінз із відношенням діаметра до товщини не менш 5—10 (рис. 2.6, б). У резонаторах двох зазначених типів електроди збурення розміщаються в центрі поверхонь п’єзоелементів. У третьому варіанті, використаному порівняно рідко, ПР виконується у вигляді тонкого оконтуреного стрижня, частково або повністю вкритого електродами (рис. 2.6,в).

У перерахованих конструкціях електроди формуються безпосередньо на поверхні п’єзоелементу.

Підвищення робочої частоти вимагає зменшення частотозадаючого розміру п’єзовібратора. У товщинно-зсувних резонаторах це — товщина. На частотах понад 50 МГц вона стає менше 30 мкм, що створює труднощі виготовлення й експлуатації через низьку міцність п’єзоелементів. Проблема одержання високочастотних п’єзоелементів вирішується шляхом виконання резонаторів у вигляді тонких перемичок п’єзоелементу. У цьому випадку міцність конструкції створюється великою міцністю периферії. Тонка центральна частина виконується методами іонного або хімічного травлення.

У ПРД найчастіше застосовуються п’єзорезонатори повернених У-зрізів, що дає коливання зсуву по товщині. Частота коливань цих п’єзорезонаторів у першому наближенні визначається співвідношенням:

де с₆₆ - діюча константа пружності, визначена як

Рисунок 2.7. Залежність частотної постійної N від кута 0 для резонаторів повернених У-зрізів

Коливання зсуву по товщині

де в — кут повороту пластини навколо осі X, відкладений від площини XZ для чистого У-зрізу 0 = О град.

У кварцових п’єзорезонаторах з коливаннями зсуву по товщині присутній ефект локалізації енергії , тобто коли коливальна енергія концентрується в центральної піделектродній області п’єзоелементу. Безелектродні периферійні області ПР виявляються практично вільними від пружних коливань, що дозволяє здійснювати кріплення п’єзовібратора на значній площі поблизу його країв без помітного погіршення добротності. Цей ефект, надзвичайно важливий у практичному відношенні, прийнято називати ефектом локалізації енергії. В останні десятиліття ефект локалізації був всебічно досліджений, що послужило поштовхом до створення високочастотних ПР із моночастотним спектром і монолітними п'єзоелектричними фільтрами.

На основі п’єзорезонаторів з локалізацією енергії в цей час будується більшість п’єзорезонансних датчиків. Основні причини широкого застосування ПР із локалізацією енергії у вимірювальних перетворювачах полягають у наступному.

1. У порівнянні із системами кріплення резонаторів інших типів система кріплення п’єзорезонаторів з локалізацією енергії в істотно меншому ступені впливає на властивості резонатора як коливальної системи і його характеристики як перетворювачі параметра в частоту. Останнє ставиться до термопреобразователям і пристроїв мікрозважування на основі мас-чутливих резонаторів.

2. Використання резонаторів з локалізацією енергії в датчиках механічних величин дозволяє найбільш просто приєднувати тензочутливі резонатори в конструкцію без погіршення добротності ПР. Інші конструктивні рішення, що забезпечують акустичну розв'язку вібратора, або значно складніші, або менш ефективні.

3. П’єзорезонатори з максимальною добротністю (до 10^-6) реалізовані на кварцових лінзах, що працюють із використанням ефекту локалізації. Більша добротність п’єзорезонатору — ключ до побудови автогенераторів з високою короткочасною стабільністю частоти (до 10^-12) і реалізації датчиків з високою чутливістю.

4. П’єзорезонатори з локалізацією зсувно-товщинних коливань-високочастотні. Як наслідок цього, абсолютні зміни частоти у функції вимірюваного параметра для них звичайно вище, ніж у резонаторів інших типів. Істотне значення мають малі габаритні розміри високочастотних резонаторів. Це визначає можливість мікромініатюризації ПРД і поліпшення їхніх динамічних характеристик.

Ефект локалізації енергії породжується особливостями поширення хвиль зсуву в тонких п’єзопластинах. Як згадувалося вище, у нескінченно пружному середовищі характер поширення хвиль визначається тільки властивостями матеріалу. Хвильовий процес в обмеженому тілі визначається не тільки властивостями середовища, але й характером взаємодії пружної хвилі із границями пружного тіла — хвилеводу. Специфіка хвильового поширення зсувних хвиль — їхня частотна дисперсія, що полягає в залежності постійній поширення 7 від частоти коливання з. Частотна дисперсія характерна для багатьох типів акустичних коливань .

Особливість дисперсійних хвиль зсуву в пластинах полягає в тім, що при деякій критичній частоті со_кр постійна поширення хвилі стає удаваною, у результаті чого характер поширення якісно міняється. Якщо рівняння для хвилі, що поширюється, представити у вигляді

де А₀ — амплітуда коливань у крапці розташування джерела; t— час; z— відстань від джерела, те мнимої постійної поширення 7 ⁼ 'V 0 ⁼ V^-l) буде відповідати хвиля, експоненциально спадаюча в міру видалення від джерела:

Необхідно особливо підкреслити, що спад амплітуди коливань не зв'язаний у цьому випадку з розсіюванням енергії, оскільки, як неважко показати, потік енергії від джерела через перетин, нормальне z, виявляється рівним нулю.

Принципово хвилі зсуву можна збудити п’єзоелектрично, підводячи напругу до електродів, що повністю покривають вібратор-пластину із двох сторін. Однак у цьому випадку умови поширення зсувної хвилі будуть у всіх крапках п’єзоелемента ідентичні й, таким чином, при частотах вище частоти відсічення со_кр хвиля буде вільно поширюватися по всьому п’єзоелементу, а на частотах нижче частоти відсічення хвиля поширюватися не зможе в жодній з областей. Це фактично означає, що п'єзоелектричне порушення хвильового процесу на частотах f < fо_кр у розглянутому випадку фізично нереалізовано. (Попутно відзначимо, що введення електродів збільшує момент інерції п’єзоелементу й зсуває частоту відсічення fо_кр униз у порівнянні із частотою відсічення вільної пластини.) З розглянутого приклада ясно, що для локалізації енергії в одній з областей п’єзоелемента необхідно створити у вібраторі неоднорідність. Найбільше просто це досягається, якщо електроди порушення покривають тільки частина п’єзоелемента. У цьому випадку центральна, піделектродна область вібратора характеризується частотою відсічення со_е меншої, чим частота відсічення вільної пластини со_с. Якщо тепер збуджувати елемент на частоті з', для якої со_е < з' < < со_с, те, як неважко переконатися, для піделектродної області постійна поширення 7_Е буде дійсна й хвилі зсуву в цій області будуть поширюватися вільно. У той же час постійна поширення у вільній пластині 7_С виявляється мнимої й хвилі зсуву в ній поширюватися не зможуть. Відповідно до (1.23) амплітуда А буде експоненційно спадати в міру видалення від краю електрода на периферію. Таким чином, при частоті порушення, що задовольняє умові fо_е < f < fо_с> енергія механічних коливань зсуву буде локалізуватися в піделектродної області, не поширюючись на периферію п’єзоелемента. На частотах f > fо_с постійна поширення виявляється дійсно. у всьому вібраторі, так що енергія коливань вільно витікає з піделектродній області на периферію. У той же час на частотах f < fо_е постійна поширення мнима у всіх областях п’єзоелемента, і, як ми вже відзначали, на цих частотах п'єзоелектричне порушення нереалізоване. Таким чином, умови локалізації зсувних коливань по товщині реалізуються тільки в області частот fо_е < f < fо_с-

Розглянемо тепер питання про резонанс п’єзотока в структурі. Резонансна частота змінюється обернено пропорційно товщині п’єзоелмента. З елементарних фізичних міркувань ясно, що складена система, у якій товщина вібратора варіюється в межах від h_n у вільній частині до h_n + h₃ в області електродів, повинна мати частоту механічного резонансу, що відповідає деякому проміжному значенню товщини h_p:

h_n < h_p < h_n + h₃.

Звідси виходить, що механічний резонанс системи пластина-електроди повинен досягатися на частоті, що лежить у проміжку між частотами відсічення. Оскільки для цього проміжку реалізуються умови локалізації й енергія коливань зосереджена під електродами, на цій частоті коливань буде спостерігатися резонанс п’єзотоку.

Спектральні характеристики ПР із локалізацією енергії в сильному ступені залежать від параметрів електродних покриттів: збільшення площі й маси електродів приводить до появи додаткових резонансів у спектрі п’єзотоку в безпосередній близькості від частоти основного резонансу. Ці паразитні резонанси звичайно називають ангармонічними обертонами. (Визначенням ангармонічні підкреслюється той факт, що на відміну від обертонів гармонійній, кратних основній частоті, ангармонические обертони умові /„ = nf_t не задовольняють.)

Зменшуючи товщину й поперечні розміри електродів, можна домогтися локалізації єдиного резонансу, придушивши інші ангармонічні обертони, тобто забезпечивши моночастотний спектр ПР. Співвідношення, що забезпечує виконання цієї вимоги, знайдено з теоретичного аналізу спектра коливань пластин й одержало назву критерію моночастотности. Критерій моночастотности записується як

де ах і a_z — розміри електрода відповідно уздовж довжини й ширини пластини; А и В — постійні (для кварцового У-зрізу відповідно А = 2,8; В = 2,17); R - так званий коефіцієнт зниження, що характеризує відносну різницю частот вільної й електродної областей вібратора:

Тут p‘ і p - щільності відповідно кварцу й електрода, а h і h' - товщини відповідно вібратора й електрода, нанесеного з однієї сторони пластини.

Звичайне зниження R становить не більше 0,01-0,03. Величина R визначає швидкість спаду амплітуди коливань А в міру видалення від краю електрода. Практично, якщо п’єзоелемент кріпиться по периферії на відстані 10-15 h від краю електрода, добротність коливань ПР може бути збережена на рівні 50-100 тисяч.

У порівнянні із плоскими більше ефективна локалізація енергії в центрі п’єзоелементу досягається в лінзових ПР. У цих резонаторах навіть при відсутності електродів центральна область має більш низьку частоту відсічення, оскільки товщина в центрі за рахунок сферичності перевищує товщину вібратора на периферії. Різниця частот відсічення в центрі й на периферії становить у лінзах не 1—3%, як у резонаторах-пластинах, а істотно більше: у принципі, товщина лінзи на краю може бути зведена до нуля. Тому в лінзових резонаторах вдається більш якісно розв'язати край п’єзоелементу від коливань, забезпечивши цим одержання добротностей на рівні 10⁶ — 10⁷. Відповідно до теорії для кварцу граничні значення добротності самого матеріалу залежать від частоти й визначаються співвідношенням

Добротність кращих лінзових резонаторів близька до теоретичної межі.

Похожие работы

Моделювання процесу обробки сигналів датчика у вихровому потоковимірювачі

Скачать

123841

18

78

... і працездатності людини в процесі труда. Максимальне зменшення числа шкідливих впливів, створення комфорту — от головні задачі охорони праці. Тема дипломної роботи — “Моделювання процесу обробки сигналів датчика у вихровому потоковимірювачі”. Машинний зал ПЕОМ є помешканням з підвищеною небезпекою поразки людини електричним струмом, тому що в даному помешканні присутня можливість одночасного ...

Дослідження надійності твердосплавних пластин для токарних різців з надтвердих матеріалів

Скачать

33705

0

0

... різця й шорсткості обробленої поверхні; - розробити методику оцінки й визначити ймовірність руйнування різців, які оснащені круглими алмазно-твердосплавними пластинами. Об'єкт досліджень – процес чистового та напівчистового точіння силумінів різцями, які оснащені АТП. Предмет досліджень – надійність інструментів з алмазних композиційних НТМ на прикладі АТП, реєстрація та аналіз сигналів АЕ. ...

Паливо для карбюраторних двигунів. Підвищення октанового числа бензину

Скачать

71628

13

6

... році розмір прибутку вже складав 205,7 тис. грн. при рівні рентабельності 19,7%. 2. Мета і задачі дослідження Об'єктом дослідження є паливо для карбюраторних двигунів. Метою проведених дослідів є збільшення октанового числа бензину та зменшення загазованості оточуючого середовища. Для цього розроблена технологія та установка отримання сумішного палива в умовах агровиробництва. Розроблена ...

Системи сигнализації

Скачать

83179

0

27

... джерелом живлення і об'єднаний з мініатюрним радіопередавачем сигналів тривоги. Приймальна станція контролює до 99 датчиків. Фірма Sensor Electronics (Великобританія)випускає різні | бистророзгортувальні |периметральні| системи з пасивними ІЧ-ДАТЧИКАМИ|. На рис.25 показана одна з таких систем — портативний комплекс AutoGuard. Система містить в своєму складі від 8-ми до 24-х бездротових ІЧ- ...