Пьезорезонансные датчики на объемных волнах

Принцип работы пьезорезонансных датчиков (ПРД) основан на реализации функциональной зависимости параметров колебательной системы пьезоэлемента, возбуждаемого на частоте в окрестностях его механического резонанса. Эквивалентная электрическая схема замещения (ЭЭЗС) такого преобразователя содержит дополнительные элементы, характеризующие параметры его механической колебательной системы:

Рисунок 2.2 Эквивалентная электрическая схема замещения пьезорезонатора и его амплитудно-частотная характеристика

, , , ,   (2.4)

где Q – добротность пьезорезонатора.

Аномалии АЧХ пьезорезонатора обусловлены наличием резонансной частоты колебаний (резонанс скоростей):

,                                   (2.5)

а также антирезонансной частоты (резонанс механических напряжений в теле пьезоэлемента):

.                       (2.6)

Управляя эквивалентной ёмкостью пьезорезонансного преобразователя ( ) можно обеспечить его термо – или тензочувствительность. Можно также управлять акусто- или массчувствительностью такого преобразователя.

Использование дополнительных обкладок на поверхности пьезоэлемента значительно расширяет их функциональные и эксплуатационные возможности. Например, на основе пьезорезонаторов с системами дополнительных обкладок на их поверхности создают пьезоэлектрические трансформаторы тока и напряжения, позволяющих производить усиление сигнала по напряжению и току в тысячи раз, создавать высокочувствительные измерительные преобразователи на их основе.

Выходное напряжение такого преобразователя зависит от величины добротности его колебательной системы:

                    (2.7)

Путем демпфирования резонанса электрическим способом, например, за счет использования дополнительных отрицательных обратных связей удается существенно расширить частотный диапазон датчиков генераторного типа, линеаризовать их рабочие характеристики.

В настоящее время пьезотехника продолжает достаточно интенсивно развиваться, расширяются возможности контрольно-измерительных и технологических устройств на их основе, область их практического применения. При этом приходится решать ряд достаточно трудных задач. Например, при создании пьезорезонансных измерительных устройств существует проблема акустической развязки колебательной системы преобразователя с элементами конструкции датчика. Для ее решения разрабатывают специальные конструкции первичных измерительных преобразователей, используют принцип локализации колебательной энергии резонатора в его подэлектродной области и т.п.

К достоинствам пьезорезонансных датчиков можно отнести высокую чувствительность, быстродействие, широкий набор модулируемых параметров.

Первые попытки создания ПРД предпринимались еще в 40-х годах, но широкое применение в технике нашли только в 60-х годах. Техника ПРД постоянно совершенствуется. В последние годы были разработаны новые типы пьезоэлектрических датчиков, например, на поверхностных акустических волнах (ПАВ-датчики), с использованием связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы (МСК - датчики). На основе реализации связанных колебаний в сложных пьезорезонансных структурах разрабатывают высокочувствительные устройства, применимые для тяжелых условий эксплуатации. 

С начала 70-х годов стали применять пьезорезонансные преобразователи на объемных волнах в кварце (рис. 2.5), а затем и в пьезокерамике.

    

Рисунок 2.3 Основные типы колебаний резонаторов: а – продольные колебания (по длине), б – радиальные колебания дисков, в – колебания сдвига по толщине, г – колебания сдвига по контуру, д – колебания изгиба

Основным достоинством таких датчиков является высокая чувствительность. Например, с помощью пьезокварцевых микровесов обеспечивают измерения на уровне нанограмм. Для создания биосенсоров, предназначенные для работы в газах, в растворах разрабатывают биологически активные покрытия пьезорезонаторов.  

В последние годы появились новые типы пьезоэлектрических первичных преобразователей, основанные на возбуждении и взаимодействии различных мод колебаний в сложных конструкциях пьезорезонаторов. Возбуждение многомодовых колебаний производится от двух и более генераторов, работающих одновременно. Анизотропия свойств различных мод и типов колебаний внутри монолоитных пьезорезонаторов позволяет создавать на их основе дифференциальные типы датчиков различных физических величин.

Перспективным является использование режимов взаимодействия объемных и поверхностных волн в пьезоэлементах и составных пьезорезонаторах. В устройствах данного типа нашло применение явление образования вращающихся акустических зон на поверхностях твердых тел в результате взаимодействия объемных и поверхностных волн. Для этой цели используют вибраторы специальной конструкции с определенными соотношениями геометрических размеров. В настоящее время физика образования вращающихся акустических зон еще недостаточно изучена. Теоретическое объяснение этого явления, очевидно, потребует достаточно сложного математического описания с помощью трехмерных волновых уравнений.

Для улучшения метрологических характеристик пьезоэлектрических преобразователей используют определенные схемные решения, позволяющие улучшить технические характеристики таких устройств, расширить их возможности. Например, за счет реализации связей между дополнительными обкладками и электрической схемой возбуждения колебаний пьезоэлемента удалось получить практическую плоскую АЧХ пьезопреобразователя. Устройства такого типа используют в качестве пьезоприемников акустических сигналов с широким диапазоном частот.

В настоящее время в качестве управляющего и чувствительного элементов датчиков используют пьезоэлектрические преобразователи на основе толстых пьезоэлектрических пленок, наносимых на полупроводниковые пластины. Для производства таких пленок используют технологии интегральных схем. Это позволяет объединить на одном чипе чувствительный элемент и микропроцессорный блок обработки первичной измерительной информации.

Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения. Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации. Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов, в качестве обратных преобразователей приборов урав­новешивания и т. д. Преобразователи, использующие одновременно прямой и обрат­ный пьезоэффекты, — пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резо­нансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразо­вания при отступлении от резонансной частоты (т. е. высокую доб­ротность), — используются в качестве фильтров, пропускаю­щих очень узкую полосу частот.

Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа воз­буждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной час­тотой и с управляемой собственной частотой. Управля­емые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектричес­ких величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту. Пьезоэлектрические генераторы могут применяться и как ампли­тудные преобразователи, работая в режиме изменения добротности, например, для фиксации соприкосновения колеблющегося кристалла с каким-либо телом. Пьезоэлементы, кроме того, используются в твердых схемах, заменяющих собой целый ряд электрон­ных устройств.

В настоящее время наиболее широкое распростра­нение получили преобразователи температуры, усилий, давлений, ускорений и обратные преобразователи электрического напряжения в пере­мещение.

Погрешности пьезоэлектрических преобразо­вателей складываются прежде всего из погреш­ности от изменения параметров измерительной цепи, температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрической постоянной, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувст­вительности к силам, действующим перпендику­лярно измерительной оси преобразователя, и частотной погреш­ности. Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя.

 2.2.3 Датчики на поверхностных акустических волнах

 (ПАВ-датчики)

В настоящее время все более широкое распространение получают первичные измерительные преобразователи, основанные на использовании поверхностных акустических волн (ПАВ-датчики).

Поверхностные акустические волны (волны Рэлея) – это механические волны, распространяющиеся вблизи поверхности твердого тела. Они возбуждаются на поверхности и затухают при распространении вглубь кристалла, эффективно проникая лишь на глубину длины волны. Хотя скорость распространения волны примерно такая же, как у объемной моды и лежит в пределах (3,8 - 4,2)·10³ м/с, частота колебаний значительно выше (так как колебательный размер мал). Устройства на ПАВ могут работать до частот в несколько гигагерц. Так как чувствительность зависит от относительного изменения частоты, то работа на высоких частотах обеспечивает высокую чувствительность измерительных устройств с частотным выходом, реализующим дифференциальный принцип выделения выходного сигнала.

Достоинством работы в СВЧ диапазоне является также возможность создания беспроводных датчиков для дистанционных измерений. Мощность к такому датчику, снабженному антенной, может подаваться с приходящим электромагнитным излучением, а обратный сигнал несет информацию об измеряемой физической величине.

Принцип работы датчиков на основе ПАВ заключается в том, что измеряемый параметр влияет на скорость распространения волны, что в свою очередь вызывает изменение временного интервала между входным и выходным сигналами. 

Размеры прибора обычно составляют несколько квадратных миллиметров. Явление пьезоэффекта используется для активации устройства и получения отклика от воздействия измеряемой величины. Вся конструкция может быть выполнена в едином кристалле (сенсорная пыль). Активные чувствительные компоненты и подложка могут быть изготовлены из одного пьезоэлектрического материала.

В других вариантах исполнения используются полупроводниковые подложки из кремния, арсенида галлия на поверхность которых наносится тонкий слой ( ) пьезоэлектрического материала. Достоинством устройств такого типа заключается в возможности применения интегральных микротехнологий. Электроды на поверхности таких преобразователей образуют встречно-штыревую структуру с количеством электродов до 20 штук. Рисунок электродов создается методом фотолитографии. Расстояние между электродами одной полярности задается равным длине акустической волны (10 мкм). Устройство конструируется в виде линии задержки, либо в виде резонатора с образованием режима стоячей волны в образце.

Рисунок 2.4 Устройство и принцип работы датчика на ПАВ

В конструкциях таких датчиков на конце активной поверхности с каждой стороны формируется эшель (отражательная дифракционная решетка, концентрирующая излучение в спектрах высокого порядка). От нее происходит отражение волны по направлению к центру преобразователя, в результате чего формируется стоячая волна. Чувствительный и активный электроды вместе с усилителем, имеющим автоматический контроль коэффициента усиления, образуют цепь положительной обратной связи, которая позволяет сохранять условие резонанса.

Изменение времени распространения сигнала, распространяющегося между излучающим и принимающим электродами, приводит к изменению резонансной частоты следования импульсов. Эта частота быть вычислена по формуле:

,                                       (2.8)

где  - сдвиг фаз в усилителе, n – номер возбуждаемой моды, - время задержки, которое зависит от измеряемого воздействия.

В датчики на основе линии задержки на ПАВ частота возбуждаемых колебаний фиксирована, а измеряется сдвиг фаз, возникающий в результате задержки. Конструкция линии задержки включает в себя два одинаковых элемента, что делает возможным добавлять в конструкцию эталонную структуру, расположенную вблизи от чувствительной структуры на той же подложке.

   

Рисунок. 2.5 Резонаторные датчики на ПАВ

Из двух представленных вариантов устройств линия задержки используется чаще в случаях, когда необходимо наличие эталонного устройства. Фазовый сдвиг между излучаемым и принимаемым сигналами определяется выражением:

,                                      (2.9)

где t – время распространения волны в подложке между электродами.

Данное выражение можно преобразовать к виду:

,                                  (2.10)

где  - длина пути, а  - скорость распространения волны.

Для устройств с двойной линией задержки величина  фиксирована. Разность фаз для двух путей описывается выражением:

.               (2.11)

Для сложения выходных сигналов преобразователей используют аналоговый умножитель. Используя известное тригонометрическое тождество можно получить следующие математические соотношения:

,               (2.12)

.  (2.13)

Фильтр низких частот на выходе выделяет только слагаемое:

.                                      (2.14)

В некоторых случаях используются линии задержки без эталонного устройства. В этом случае производится умножение сигнала излучателя и сигнала, полученного на выходе линии задержки.

На основе ПАВ-преобразователей создают датчики усилий, массы (микровесы), анализаторы состава и концентрации газов в смеси, датчики влажности и др. Изменение массы, вызванное, например, процессом испарения, влияют на скорость распространения волны, что в свою очередь приводит к изменению частоты следования ПАВ.

Концепция конструирования газовых датчиков заключается в нанесении покрытия, селективно абсорбирующего молекулы того газа, который нужно обнаружить. Это поглощение изменяет свойства канала распространения сигнала между подложкой и покрытием, что приводит к изменению резонансной частоты преобразователя. Преимущества таких преобразователей по сравнению с датчиками на объемных волнах заключаются в следующем: повышенная рабочая частота; жесткое крепление подложки; малые размеры. В настоящее время основные усилия сконцентрированы на поиске химических составов покрытий, позволяющих детектировать определенные вещества.

Работа датчиков влажности основывается на тех же принципах, что и работа газовых сенсоров, но чаще механизм чувствительности таких датчиков основан на контроле массы колебательной системы преобразователя.

Разработаны устройства, позволяющие определять наличие взрывоопасных газов, лекарственных препаратов и ряда других газов. 

На основе ПАВ разработаны датчики температуры резонансного типа. В таких датчиках в результате теплового расширения подложки происходит увеличение времени распространения ПАВ, Зависимость практически линейная. Разрешение датчика составляет 0,001°С, воспроизводимость ±2°С.

Линии задержки на ПАВ могут использоваться для измерения деформации. Если напряжения в материале практически не влияют на скорость распространения ПАВ, то сдвиг фазы волны может быть обусловлен изменением длины пути распространения сигнала. При этом зависимость также практически линейная. На основе таких преобразователей создают датчики ускорений, давления, усилий и др.

Рисунок 2.6 Примеры конструктивного исполнения ПАВ-датчиков усилий дифференциального

Для измерения параметров магнитного поля используют ПАВ-датчики с магнитоупругими элементами. Устройства данного типа характеризуются высокой чувствительностью.

Достоинства датчиков на ПАВ:

· высокое разрешение;

· возможность объединения чувствительной структуры и электроники на одном кристалле;

· возможность дистанционного измерения;

· пригодны для массового производства.

Недостатки:

· низкая стабильность во времени;

· высокая чувствительность к изменению температуры.

Примеры практического применения электромеханических первичных измерительных преобразователей

На основе электромеханических резонаторов создают различные типы измерительных преобразователей, реализуя при этом механизмы чувствительности:

· тензочувствительность (измерение усилий, деформаций);

· массчувствительность (измерение влажности, состава газа);

· термочувствительность (измерение температуры, тепла);

· акусточувствительность (давление, состав сред).

Одними из первых, нашедших широкое практическое применение, и наиболее конструктивно простыми являются резонансные преобразователи на основе вибрирующих струн. При высокой жесткости струны частота ее поперечных колебаний определяется как:

,                                        (2.15)

где Т – усилие натяжения; μ – погонная масса струны; 

  l – длина струны.

Для струн используют провода, сделанные из вольфрама, индия или упругой стали, а также из сплавов, например, «Элинвар». При прохождении переменного тока через провод, установленный в постоянном магнитном поле, возникают механические колебания проводника с током.

Область применения таких устройств – измерение усилий, массы, силы натяжения, давления. На рис. 2.7 показана конструкция датчика давления на основе двойной мембраны.

     

Рисунок 2.7 Варианты конструктивного исполнения датчиков вибрационного типа

Для измерения плотности жидкости используют крутильно-вибрационные колебания стержней, для измерения вязкости – резонаторы в виде прямоугольных пластин.

Также на рисунке 2.7 приведена конструкция датчика плотности раствора. В верхней части устройства расположен пьезоэлектрический генератор крутильных колебаний стержня, частота которых пропорциональна корню квадратному от плотности раствора.

Для непосредственного измерения вязкости жидких сред используют затухание электромеханических вибраторов, возбуждаемых и контролируемых с помощью магнитострикционных преобразователей (рис 2.7). При частоте продольных колебаний резонатора в пределах нескольких десятков килогерц проникновение волнового движения в жидкость составляет несколько микрометров. Используются также резонаторы на основе возбуждения изгибных колебаний в пластинах из металла или керамики, например, при измерении скорости потока.

Для измерения плотности потока применяют устройства с использованием колеблющихся труб, цилиндров (рис 2.8).

   

Рисунок 2.8 Конструкции плотномеров вибрационного типа

В последнее время все большее распространение приобретают устройства на основе эффекта Кориолиса, возникающего в колеблющихся трубах U – образной формы (рис. 2.9).

Рисунок 2.9 Конструкции первичных преобразователей, основанных на эффекте Кориолиса

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: