Розробка датчика температур на акустичних хвилях

ВСТУП Автоматизація різних технологічних процесів, ефективне керування різними агрегатами, машинами, механізмами вимагають численних вимірів різноманітних фізичних величин. У цей час існує приблизно наступний розподіл частки вимірів різних фізичних величин у промисловості: температура — 50%, витрата (масовий і об'ємний) — 15%, тиск — 10%, рівень — 5%, кількість (маса, обсяг) — 5%, час — 4%, електричні й магнітні величини — менш 4%. Із цього розподілу наочно видно, що в сучасному промисловому виробництві найпоширенішими є виміри температури. Широкий діапазон вимірюваних температур, розмаїтість умов використання засобів вимірів і вимог до них визначають, з одного боку, різноманіття застосовуваних засобів виміру температури, а з іншого боку, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів і датчиків, що задовольняють зростаючим вимогам до точності, швидкодії.

Вимірювальні перетворювачі на пасивних елементах (акустичні датчики) з розвитком автомобільної індустрії й індустрії телекомунікацій здобувають все більшу актуальність. Такі прилади будуються на фільтрах акустичних хвиль, комерційне використання яких почалося більше 60 років тому. Тільки в телекомунікаціях — у мобільних телефонах і на базових станціях — щорічна потреба в цих фільтрах близько 3 мільярдів. Ці прилади працюють із поверхневими акустичними хвилями й служать у передавачах полосними фільтрами як проміжних частот, так і частот радіохвиль. Крім того, акустичні датчики застосовуються в автомобільній індустрії (датчики крутного моменту й тиску в шині), медицині (хімічні датчики) і багатьох інших сферах (як датчики вологості, температури й т.д.). Причини такого широкого використання цієї технології в промисловості - невисока вартість, надійність, чутливість і витривалість приладів. Крім того, деяким з них не потрібні джерела живлення.

1. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРИ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

1.1 Датчик температури В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного керування, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними позитивними характеристиками електричних вимірів: електричні величини зручно передавати на відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальні в тому розумінні, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні й навпаки; вони точно перетворяться в цифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості й швидкодії засобів вимірів.

Акустичні датчики засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їхньої температури й використовуються в основному діапазоні середніх і високих температур. Акустичний термометр містить просторово рознесені випромінювач акустичних хвиль і їхній приймач, що включаються звичайно в ланцюг автогенератора, частота коливань якого міняється зі зміною температури; звичайно такий датчик використовує й різного типу резонатори.

Датчик температури являє собою пластинку кварцу, поміщену в сталевий корпус, заповнений гелієм для збільшення теплової провідності між кварцом і корпусом датчика. П'єзоелектричний кварц характеризується тим, що головна площина пластинки перпендикулярна електричної осі. У цьому випадку спостерігається поява зарядів протилежного знака на протилежних поверхнях пластинки при додатку сили по нормалі до них. Це явище називається прямим п'єзоелектричним ефектом. При додатку до протилежних поверхонь пластинки різниці потенціалів відбувається зміна товщини пластинки (розтягання або стиск) залежно від знака різниці потенціалів. Це явище називається зворотним п'єзоелектричним ефектом. П'єзоелектричний ефект експериментально був відкритий братами Кюрі.

Якщо до протилежних поверхонь пластинки прикласти змінну різницю потенціалів, частота якої буде періодично змінюватись, виникає явище електромеханічного резонансу, що супроводжується періодичним перетворенням механічної енергії в електричну й назад з дуже малими втратами.

Орієнтація пластинки щодо осей кристала визначає її зріз.

Електроди, за допомогою яких підводить різниця потенціалів до пластинки, можуть бути напиляні у вакуумі або виконані із двох притиснутих до пластинки шматочків фольги.

Поблизу однієї із цих резонансних частот механічних коливань пластинка кварцу з електричної точки зору являє собою двухполюсник, що складається із двох паралельних галузей.

Параметри L, С, R визначаються геометричними, механічними й кристалографічними характеристиками пластинки; С — обумовлено наявністю металевих електродів (рис. 1.1).

Рисунок 1.1

Є два ланцюги електричного резонансу:

а) послідовна

б) паралельна

Кварцова пластинка з активним елементом утворять у сукупності генератор, що створює вимірювальний сигнал е_т.

де, якщо Те = 0 °C Кварцовий генератор опорної частоти створює сигнал е_r із частотою, що практично не залежить від температури навколишнього середовища:

Сигнали е_т й е_r надходять на вхід перетворення частоти, наприклад, множителя, на виході якого знімається напруга и’о За допомогою низькочастотного фільтра відтинаються ' верхні частоти, що враховують членом

і тоді

Визначивши за допомогою частотоміра величину й знаючи S можна знайти температуру

1.2 Класифікація термодатчиків

Оскільки інформація про нові типи вимірювачів не завжди є повною та містить комерційну таємницю, для визначення сучасного рівня та основних орієнтирів у розробці таких датчиків скористаємось відомостями про класичні серійні термодатчики, якими є термометри опору. Згідно ГОСТ 6651–78 термометр опору використовується для перетворення температури в діапазоні −200…+1100 С в опір.

Найчастіше використовуються термоопори 3-х типів:

— платинові (ТОП)

— мідні (ТОМ)

— напівпровідникові (ТОП) Платинові ТЕ мають високостабільний температурний коефіцієнт опору ТКО, гарну відтворюваність властивостей.

Функція перетворення ТОП має вигляд.

Платина:

R_T=R₀(1+AT+BT²), при TЄ(0? 650) ?С

R₀— опір при Т₀=0?С;

Тпоточна вимірювана температура, ?С;

А=3,90 784^х10^-3К^-1;

В=5,7841^х10^-7К^-2;

R_T=R₀[1+AT+BT²+C (T-100)T³],

при TЄ(-200…0)?С, де С=-4,482^х10^-12К^-4.

Мідні ТО широко поширені завдяки своїй дешевині й лінійній залежності ТКО від температури.

Мідь:

R_T=R₀(1+?_R^хТ), при TЄ(-50…200)?С ;

?_R=4,26^х10^-3ДО^-1 -ТКО першого порядку мідного ТЕ;

R₀— опір при Т₀=0?С;

Тпоточна вимірювана температура, ?С;

Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих меншими габаритами й більшими значеннями ТКО.

ТКО напівпровідникових терморезисторів негативний і зменшується зворотньопропорційно квадрату абсолютної температури: ?=В/Т^2. При 20? С ТКО становить 0,02? 0,08 К^-1.

Температурна залежність опору ТСП (рис. 1.2 крива 2) досить добре описується формулою R_?=Ae^В/T, де Т — абсолютна температура, А — коефіцієнт, що має розмірність опору, В — коефіцієнт, що має розмірність температури. На рис. 3 для порівняння наведено температурну залежність для мідного терморезистора (пряма 1).

Якщо для використаного перетворювача не відомі коефіцієнти, А и В, алі відомі опори R₁ й R₂ при Т₁ і Т₂, то опір і коефіцієнт В для будь-якої іншої температури можна визначити зі співвідношень:

Рисунок 1.2

Недоліками напівпровідникових терморезисторів, що істотно знижують їхні експлуатаційні якості, є нелінійність залежності опору від температури (рис. 1.2) і значний розкид від зразка до зразка як номінального опору, так і постійної В.

1.3 Конструкції й технічні характеристики сучасних датчиків По конструктивному виконанню металеві, мідні й платинові ТО діляться на дві великі групи:

— средовищні (що занурюють) ТО, призначені для внутрішнього вимірювання температури рідких, газоподібних і сипучих середовищ у різних галузях техніки;

— поверхневі ТО, призначені для виміру температури поверхні твердих тіл на які безпосередньо встановлений ТО.

Конструкція термометра опору типу ТОП-6097, призначеного для вимірювання температури газоподібних або рідких хімічно неагресивних й агресивних середовищ у діапазоні від -50 до +250, показана на рис. 1.3. Чутливий елемент 1 платинового термометра являє собою керамічний каркас, у канали якого поміщено спіраль із платинового дроту. Кінці спирали приварені до виводів, через які чутливий елемент з'єднаний із трьохжильним кабелем. Канали каркаса засипані керамічним порошком й герметичні. Захисна арматура 2 термометра являє собою зварну конструкцію зі сталевої сурми й штуцера. Місце сполучення чутливого елемента з кабелем закривається ковпаком 4 із прес-матеріалу АГ-4 В, угвинченим у верхню частину штуцера 3, і заливається компаундом.

Показники теплової інерційності промислових термометрів становлять 10?60с і визначаються так саме, як і для термопар. Виключення становлять термометри, призначені для вимірювання температури газу; для них показник теплової інерційності визначається як постійна часу при зануренні термометра в потік повітря, що має постійну швидкість 0,5 м/с.

Рисунок 1.3 Конструкції традиційних термодатчиків Поверхневі термоперетворювачі відрізняє висока надійність, малі розміри, матеріалоємність, поліпшені показники теплової інерції. Термоопори стійкі до вібрації й зберігають працездатність при вологості до 98%. Не вимагають складних монтажних робіт при установці на об'єкті. При установці на труби або радіатори дозволяють із низькою тепловою інерцією виміряти температуру енергоносія. Практично незамінні для труб малого діаметра, де установка середовищних перетворювачів ускладнена або економічно недоцільна.

ЧЕ термоперетворювачів групи 2 виконані у вигляді плоскої одношарової біфілярної спіралі, закріпленої між двома пластинами зі склотканини. Товщина такого ЧЕ не перевищує 0,15 мм. Виводи перетворювача 2−1 — плоскі у вигляді пелюстків. Перетворювачі 2−3, 2−7 конструктивно виконані на базі моделі 2−1, деталі повторюємо із закладенням виводів у корпусі із пресматеріала АГ-4У (2−3) або високотемпературного клейового заливання (2−7). Термоперетворювачі 2−1, 2−3, 2−7 рекомендуються для вимірювання температури поверхонь обмоток, підшипників, електродвигунів і генераторів, а також поверхонь труб будь-якого діаметра. Термоперетворювач 2−9 призначений для виміру температури зовнішнього повітря й температури в приміщеннях.

Поверхневі ТО найбільш використовуються в сучасних вимірювальних перетворювачах і різних бортових вимірювальних системах як датчики температури для визначення поточної температури бортового засобу вимірювання з метою наступної алгоритмічної компенсації його систематичних додаткових температурних похибок.

В Україні АТ «Чезара» робить мідні й платинові середовищні й поверхневі ТО (таблиця 1, 2).

У таблиці 3 у скороченому об'ємі наведені параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО. Зроблені заводом-виробником ТО після їх статичного градуювання розподіляються на п’ять класів точності. Критеріями розподілу є припустимі відхилення опору R₀ при Т₀=0?З і чутливості S₁₀₀=R₁₀₀/R₀, обумовленої як відношення опорів при Т=100?З і Т₀=0?С. Величини припустимих відхилень наведені в табл. 4.

Таблиця 1 Основні технічні характеристики поверхневих ТО виробництва АТ «Чезара»

Примітка: 1. СГХ — статична градуювальна характеристика;

Допуск на величину номінального опору R₀ (по п. 2) не більше ±0,5 Ом.

Таблиця 2 Основні технічні характеристики середових ТО виробництва АТ «Чезара»

Таблиця 3

Параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО

Таблиця 4

Припустимі відхилення номінальних СГХ мідних і платинових ТО

Будь які інші вимірювачі температури для того, щоб бути готовими до широкого використання, повинні відповідати представленим характеристикам. Зорієнтуємось на досягнення розробленим термодатчиком показників серійних термометрів: діапазон вимірювання термодатчиків на пасивних ПАХ-елементах -50 …+200°С, похибка вимірювання 0,5%, показник теплової інерційності 5 с, габаритні розміри 1417 мм.

Вимірювальний ланцюг також матиме класичну схему (рис.5) ТО в складі чутливого до температури первинного перетворювача (ПП) та вторинного перетворювача (ВП) вихідної характеристики термодатчика до потрібного вигляду:

Т [?C] R (T) [Ом] U (T) [В]

Рисунок 1.4 Структурна схема термодатчика ВП, як правило, є потенціометричним або мостовим вимірювальним ланцюгом (ВЛ) постійного струму, що здійснює перетворення опору ТО R (T) у вихідну електричну напругу постійного струму пропорційну вимірюваній температурі. Для термодатчика на пасивних ПАХ елементах ВП є передавачем та приймачем радіосигналу.

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 ОАХрезонатор 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.

2.2 Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль В 1887 році лорд Релей відкрив режим поверхневої акустичної хвилі й у своїй класичній роботі пророчив властивості цих хвиль. Названі по імені людини їх що відкрили, хвилі Релея володіють поздовжнім і вертикальним поперечним компонентом, що може з'єднуватися із середовищем при контакті з поверхнею пристрою. Таке з'єднання сильно впливає на амплітуду й швидкість хвилі. Ця риса дозволяє датчикам ПАХ прямо оцінювати масу й механічні характеристики. Рух поверхні також дозволяє використати ці пристрої як мікроприводи. Хвиля має швидкість приблизно на 5 порядків менше ніж відповідна електромагнітна хвиля, що робить поверхневі хвилі Релея одними із самих повільних по швидкості поширення у твердих речовинах. Амплітуда хвилі становить ~10 Aнг, а довжина хвилі коливається від 1 до 100 мікронів.

На рис. 2.4 докладно представлено область деформації, викликана поширенням ПАХ уздовж осі Z і відповідний розподіл потенційної енергії. Тому що фактично вся енергія хвиль Релея укладена в межах однієї довжини хвилі на поверхні, датчики ПАХ мають найбільшу чутливість серед всіх розглянутих акустичних датчиків.

Зазвичай датчики ПАХ працюють у межах від 25 до 500 Мгц (рис. 2.8). Одним з недоліків цього пристрою є те, що хвилі Релея є поверхневими нормальними хвилями, і тому вони погано підходять для виміру рідин. Коли датчик ПАХ вступає в контакт із рідиною, в результаті хвилі стиску викликають істотне загасання поверхневої хвилі.

Рисунок 2.8 Приклади датчиків на ПАХ Датчики акустичної хвилі комерційно доступні в декількох формфакторах. Більшість із них являє собою напівпровідникові пластини, які потім тестуються, нарізуються на кристали й упаковуються.

Якщо зріз п'єзокристала відповідним чином повернути, тоді мода хвилі міняється від датчика з вертикально-поперечною ПАХ до датчика на поперечно-горизонтальної ПАХ. Це істотно знижує втрати, коли рідини вступають у контакт із середовищем поширення, що дозволяє датчикам ПАХ працювати в якості біосенсорів.

У загальному випадку, чутливість датчика пропорційна кількості енергії, що виникає на шляху поширення хвилі. Датчики об'ємної акустичної хвилі розсіюють енергію з поверхні через речовину основи на іншу поверхню. Розподіл енергії мінімізує інтенсивність енергії на поверхні, на якій відбувається вимір. Датчики ПАХ навпаки фокусують енергію на поверхні, що робить їх більше чутливими. Інші конструкторські міркування при виборі датчиків акустичних хвиль містять у собі стабільність генератора й рівень перешкод.

3. ЗАСТОСУВАННЯ ДАТЧИКІВ НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ Всі датчики акустичних хвиль у тім або іншому ступені чутливі до відхилень від багатьох фізичних параметрів. Якесь із представлених на ринку датчиків представлені на фото 1. По суті говорячи, всі датчики акустичних хвиль, що випускають для індустрії телекомунікацій повинні бути герметично запечатані для запобігання будь-яких перешкод, які можуть бути обмірювані пристроєм і відповідно викличуть небажані зміни на виході.

Рисунок 3.1 Лінія затримки Якщо вибрати правильний напрямок зрізу матеріалу, тоді будуть переважати горизонтально поляризовані поперечні поверхневі акустичне хвилі (рис. 3.1). У цих хвиль є зсув, паралельний поверхні пристрою.

Рівень фактору, що можуть уловити акустичні пристрої, може бути значно збільшений шляхом нанесення на пристрій покриття з матеріалів, які перетерплюють зміни в масі, пружності, або провідності під впливом яких-небудь фізичних або хімічних стимулів. Під прикладеною напругою, що міняє динамічні властивості середовища, ці датчики стають детекторами тиску, що обертає моменту, ударної хвилі й сили. Вони стають датчиками маси, або ваги, якщо часткам дозволено контактувати із середовищем поширення, міняючи напруги в ній. Вони стають датчиками випару коли застосовується покриття, що абсорбує тільки певні хімічні осадження. Ці пристрої працюють шляхом ефективного виміру маси абсорбованого осадження. Якщо покриття абсорбує певні біологічні хімічні речовини в рідинах, датчик стає біодатчиком. Як було замічено раніше, якщо вибрати правильний напрямок поширення хвилі, можна створити бездротової датчик температури. Середовище поширення міняється разом з температурою, впливаючи на дані на виході. Нижче наведені деякі найбільш загальні способи застосування датчиків акустичних хвиль.

Термодатчик будується на термозалежності швидкості поверхневих хвиль, яка визначається напрямком і типом кристалічного матеріалу, використовуваного для виробництва датчика. Термодатчики на базі генераторів лінії запізнювання ПАХ володіють міліградусною роздільною здатністю, гарною лінійністю й низькою інерцією. Вони до того ж досить чутливі до навантаження маси від власної ваги й тому повинні бути герметично упаковані. 124 Мгц термодатчик кварцу ST-зрізу приповерхньої об'ємної хвилі, як недавно стало відомо, має температурний коефіцієнт 32 ppm/ C і чутливість 0.22 C. Він також продемонстрував на три порядки меншу чутливість до навантаження маси від власної ваги, чим датчик на ПАХ. Час відповіді становить 0.3 с, що в 103 рази швидше ніж датчик ПАХ. Перевага термодатчиков також полягає в тому, що вони не вимагають елементів і вони є бездротовими, що робить їх придатними для використання у віддалених місцях.

Датчики тиску стали першою заявленою технологією використання ПАХ у сфері застосування датчиків, у 1975 році. На швидкості ПАХ сильно впливає напруга, що подається на п'єзоелектричну підкладку, по якій поширюється хвиля. У такий спосіб датчик тиску на ПАХ створений шляхом перетворення пристрою в діафрагму (див. рис. 3.2).

Рисунок 3.2 Датчик тиску на ПАХ Частоти ПАХ змінюється разом з напругою. Коли діафрагма прогинається під тиском, датчик ПАХ змінює дані на виході.

Невідшкодовані температурні коливання, які заважають роботі датчиків тиску на ПАХ може бути мінімізований шляхом приміщення зразкового пристрою виміру на ПАХ поруч із що вимірює ПАХ на ту ж підкладку й змішуючи два сигнали. Один датчик працює як термодатчик, чия близькість до датчика тиску гарантує, що обоє з них піддані однієї й тій же температурі. Однак температурний датчик на ПАХ повинен бути ізольований від напруги, якому піддається ПАХ.

Датчики тиску на ПАХ пасивні (не вимагають елементів живлення), бездротові, дешеві, витривалі, дуже компактні й легені, і відповідно добре пристосовані для виміру тиску в об'єктах, що рухаються (наприклад, шини машин або вантажівок). Ці характеристики забезпечують перевага над такими технологіями як ємнісні й п'єзорезистивні датчики, яким необхідні елементи живлення і які не є бездротовими. Датчик тиску на ПАХ вагою <1м з дозволом 0.73 фунт на квадратний дюйм недавно був інтегрований у шину автомашини з відмінними результатами. Така система дозволяє операторові спостерігати тиск у кожній із шин з комфортної кабіни. Правильно надуті шини сприяють поліпшенню безпеки, більшої ощадливості палива й до більше довгого строку експлуатації самих шин. Ця технологія особливо цікава для нового ринку шин зі спущеним тиском (також називаних з нульовим тиском або розширеною маневреністю).

Датчик крутного моменту на пристрої з ПАХ, нерухомо прикріпленого до плоского місця на валу, й вал піддається крутному моменту, цей крутний момент піддає напрузі датчик і перетворює його в бездротової, пасивний, легкий датчик крутного моменту. Якщо вал обертається в одну сторону, тоді датчик перебуває в стані натягу, при обертанні в іншому напрямку датчик перебуває в стані стиску. У практичному застосуванні два датчики обертаючого моменту використаються таким чином, що їх центральні (осьові) лінії перебувають під прямим кутом один до одного. Таким чином, коли один датчик перебуває в стані стиску, інший — у стані натягу. Тому що обидва датчики піддаються одній температурі, сума двох сигналів мінімізує будь-які ефекти виходу параметрів під впливом температури.

Рисунок 3.3 Диференціальний датчик тиску на ПАХ Додавання другого ПАХ ефективно мінімізує температурні коливання датчика тиску на ПАХ.

У порівнянні з іншими датчиками крутного моменту, включаючи резистивні датчики опору, оптичні перетворювачі, торсони, датчик крутного моменту на ПАХ є дешевим, має високу надійність і до того ж бездротової. Відстеження крутного моменту на вантажівках й автомашинах значно поліпшить керування й гальмування, тому що крутний момент вимірює зчеплення коліс набагато краще, ніж датчики обертів двигуна, використовувані в цей час.

Датчики маси. Із всіх оцінюваних тут пристроїв, датчики на ПАХ найбільш чутливі до навантаження від власної маси, що можна використати при створенні датчика часток і датчика товщини плівки. Якщо датчик покритий адгезивом, то він стає датчиком часток: будь-яка частка, що попадає на поверхню там і залишається й змінює поширення хвилі. Повідомляється, що дозвіл по масі становить 3 pg на 200 Мгц кварцу ST-зрізу ПАХ, що в 1000 3 чувствительней протестированного 10 Мгц TSM резонатора. Датчики часток використаються у виробничих приміщеннях, моніторах якості повітря, і моніторах атмосфери.

Датчик товщини працює в основному по тім же принципі що й датчик часток, за винятком того, що на ньому немає покриття. Вимірюване зрушення частоти пропорційне масі обложеної плівки, так що датчик одержує дані по товщині шляхом виміру щільності плівки й акустичного опору. Цей метод точний тільки в тому випадку, якщо плівка тонка (в ідеальному випадку не більше чим кілька відсотків акустичної довжини хвилі). Найбільш доступні в продажі датчики товщини базуються на TSM резонаторах. Не будучи такі ж чутливими, як датчики на ПАХ, ці пристрої проте легкі у використанні й мають достатню чутливість.

Датчик конденсації/вологості. Якщо датчик на ПАХ піддається температурному контролю й прямому впливу навколишнього середовища, то вода буде конденсуватися на ньому при температурі конденсації, що робить його ефективним датчиком крапки конденсації. Існуючі комерційні інструменти для високоточних вимірів крапки конденсації засновані на оптичних методах, які є досить дорогими, і не мають достатню чутливість, точністю й довгостроковою стійкістю. Був розроблений 50 МГц датчик конденсації YZ-зрізу ниобата літію на ПАХ, що стійкий до основних забруднюючих речовин, має дозвіл ±0.025°C (порівн. ±0.2°C для оптичного датчика), дешевий, і значно більше стабільний.

Рисунок 3.4 Датчик обертання Напруга у валу передається на датчик на ПАХ, що через напругу міняє свою робочу частоту й, відповідно, що крутить момент. Додаткове використання ще однієї ПАХ мінімізує температурний ефект.

З датчиків акустичних хвиль із пружним гігроскопічним полімерним покриттям виходять відмінні датчики вологості. Три складові механізму становлять чутливість датчика: навантаження від власної маси, електроакустичні ефекти й в`язкоеластичні ефекти. Кожний із цих механізмів можна ефективно контролювати й робити дешевий, точний датчик вологості. 50 Мгц датчик YZ-зрізу ниобата літію на ПАХ, покритий polyXIO був продемонстрований як датчик вологості з діапазоном відносної вологості 0%-100% й областю неоднозначності порядку 5%. Додатково, 767 Мгц датчик AT-зрізу кварцу на SH-ПАХ був недавно продемонстрований як датчик вологості із чутливістю 1.4 ppm/% відносної вологості й областю неоднозначністю в 5%. Як з’ясувалося, він є більше чутливим пристроєм, чим 14 Мгц TSM резонатор, покритий тим же полімером.

У тій же категорії 434 Мгц датчик YZ-зрізу ниобата літію на ПАХ був використаний як вилучений датчик води, а 86 Мгц датчик XY-зріз кварцу на хвилях Лаві був продемонстрований як датчик льоду.

Хімічний датчик випарів із покриттям і без покриття. Уперше про датчик хімічних випарів було заявлено в 1979 році. Більшість із них ґрунтується на чутливості мас-детектора, у взаємодії з хімічно вибірним покриттям, що абсорбує задані випари, що приводить до збільшення навантаження від власної ваги пристрою. Як й у випадку з термокомпенсувальними датчиками тиску, одна з ПАХ використається як крапка відліку, ефективно мінімізуючи ефект коливань температури.

Рисунок 3.5 ПАХ аналізатор Комерційно доступний портативний ПАХ аналізатор (рис. 3.5), що розпізнає хімічні випари складається з 4 датчиків на ПАХ, на кожний з яких нанесене різне полімерне покриття.

При виборі хімічно сорбціонного покриття необхідно приймати в розрахунок деякі особливості будови пристрою. В ідеальному випадку, покриття повинне бути повністю двостороннім, що означає, що воно буде абсорбувати, а потім повністю десорбирувати випару при прочищенні свіжим повітрям. Швидкість, при якій покриття абсорбує й десорбирує, повинна бути досить великим, наприклад. Покриття повинне бути досить міцним, щоб витримувати корозійні випари. Воно повинне бути селективні, абсорбуючі тільки певні випари й не усмоктуючи інших. Покриття повинне працювати при розумних температурах. Воно повинне бути стійким, відтвореним, чутливим, І нарешті, дуже важлива його товщина й однорідність.

Коли кілька датчиків на ПАХ, кожний з унікальним хімічним специфічним покриттям розміщені в певному порядку, тоді кожний з них буде давати різний результат при впливі даного випару. Програмні засоби по розпізнаванню структур допускають різноманітний список легкопаруючих органічних сполук, які можуть бути виявлені й ідентифіковані, що утворить дуже потужний хімічний аналізатор. Комерційно доступний аналізатор з поруч із 4 датчиками на ПАХ показаний на рис. 3.5.

TSM резонатори успішно були використані для виміру хімічних випарів, але вони значно менш чутливі чим їх ПАХ аналоги. Також ПАХ датчики хімічних випарів були зроблені без покриттів. У цей методі використається колонка газового хроматографа для відділення елементів хімічних випарів і термоконтролююча ПАХ, що конденсує випари й вимірює відповідне навантаження від власної маси.