Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для контроля различных физических величин.
Известен датчик перемещения на ПАВ /1/, содержащий два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенных рабочими поверхностями друг к другу, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F1. При перемещении поверхностей, к которым закреплены звукопроводы относительно друг друга, расстояние между ВШП изменяется. Это приводит к изменению частоты колебаний генератора пропорционально изменению расстояние между ВШП, что позволяет судить о величине перемещения. Недостатком данной конструкции является большая погрешность из-за изменения температуры, так как для эффективного перехода ПАВ с одной поверхности на другую необходимо использовать пьезоэлектрические подложки с большим коэффициентом электромеханической связи для ПАВ, например ниобат лития, в котором ТКЗ равен 80-10-6 1/град. В этом случае при изменении температуры всего на 1 градус относительный уход частоты генератора составит примерно 10-4, т.е. относительная точность измерения расстояния не превысит 10-4, что нельзя признать удовлетворительным.
Уменьшить влияние температуры позволяет датчик перемещения на ПАВ с температурной компенсацией /2/, состоящий из датчика перемещения, содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенных рабочими поверхностями друг к другу, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, а также датчик температуры, содержащий пьезоэлектрический звукопровод из того же материала, что и звукопроводы датчика перемещения, на рабочей поверхности которого расположены два ВШП с тем же периодом, что и у ВШП датчика перемещения, и расстояние между которыми равно 200-300 периодов ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F1, ВШП температурного датчика включены в цепь обратной связи другого усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F2, причем сигналы от обоих генераторов подаются на устройство, выдающее отношение частот этих генераторов. В этом случае относительный уход частоты датчика перемещения и температурного датчика оказывается одинаковым. Поэтому отношение частот не должно зависеть от температуры. Однако датчик перемещения состоит из двух подложек, которые не фиксированы относительно друг, а датчик температуры расположен на одном звукопроводе. Поэтому при изменении температуры частота генератора датчика перемещения будет зависеть только от изменения скорости ПАВ из-за температуры, а в датчике температуры частота генератора будет зависеть не только от изменения скорости ПАВ, но и от изменения расстояния между ВШП вследствие линейного расширения звукопровода. Следовательно отношение частот будет зависеть от температуры, что приведет к снижению точности измерения перемещений. Таким образом удается добиться относительной точности измерения порядка 10-5, хотя заметное изменение частоты генератора наступает и при изменении относительного расстояния между ВШП порядка 10-7.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения перемещения. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в увеличении точности измерения перемещений.
Это достигается тем, что температурный датчик выполнен идентично датчику перемещения, только поверхности, на которых закреплены звукопроводы, не перемещаются, а находятся в фиксированном положении, так что расстояние между ВШП равно 200-300 периодам ВШП.
На чертеже показана структура датчика перемещения на ПАВ с температурной компенсацией в соответствии с изобретением. На чертеже а показан датчик в развернутом виде, а на чертеже б - сбоку в собранном виде. Датчик перемещения на ПАВ с температурной компенсацией содержит датчик перемещения, состоящий из звукопроводов 1, закрепленных к перемещающимся поверхностям 2. На звукопроводах 1 расположены ВШП 3, а на сполированных концах - акустопоглотители 4. Один ВШП 3 подсоединены к входу, а другой к выходу усилителя 5, образуя генератор электрических колебаний с частотой F1. Температурный датчик состоит из звукопроводов 6 с расположенными на их поверхности ВШП 7, которые подключены к усилителю 5, образуя генератор электрических колебаний с частотой F2. Звукопроводы закреплены на не перемещающихся относительно друг друга поверхностях 2 и 9. Выходы генераторов соединены с устройством 8, выдающим отношение частот этих генераторов.
Датчик перемещения работает следующим образом. ВШП 3 и ВШП 7 находятся в цепи обратной связи усилителей 5, поэтому начинают генерироваться электрические колебания в датчике перемещения и в температурном датчике на частотах F1 и F2 соответственно. Эти частоты будут определяться временем прохождения ПАВ между ВШП 3 и ВШП 7. ПАВ переходят с одного звукопровода на другой, так как ПАВ в пьезоэлектрических звукопроводах сопровождается переменным электрическим полем /3/, амплитуда которого убывает над звукопроводом по экспоненциальному закону (убывает в е раз примерно на длине ПАВ). Поскольку расстояние между звукопроводами 2 (или 6) выбрано не более длины ПАВ, которая равна периоду ВШП, то это переменное поле возбуждает ПАВ в соседнем звукопроводе, т.е. можно сказать, что ПАВ переходит с одного звукопровода на другой и между входом и выходом усилителей 5 образуется положительная обратная связь и возникают электрические колебания. В датчике перемещения поверхности 2 могут перемещаться относительно друг друга, что приводит к изменению расстояния между ВШП 2, а следовательно, и к изменению частоты F1. В датчике температуры поверхность 2 и поверхность 9 фиксированы относительно друг друга, и частота генерации не изменяется с перемещением поверхностей 2 относительно друг друга. Но частота меняется с изменением температуры. Фиксирующие перемычки подобраны таким образом, чтобы при изменении температуры смещение поверхностей 2 и 9 было бы много меньше, чем изменение расстояния между ВШП 7, если бы они находились на одном звукопроводе. В этом случае как в датчике перемещения, так и в датчике температуры уход частоты с температурой будет обусловлен только изменением скорости ПАВ, т.е. относительный уход частоты с температурой будет одинаков для датчика перемещения и датчика температуры. Тогда отношение частот, которое выдает устройство 8, не будет зависеть от температуры, а только от перемещения, что значительно повысит точность измерения перемещений.
Пример выполнения. Как датчик перемещения, так и датчик температуры состоят их двух пьезоэлектрических звукопроводов из ниобата лития YX/128 среза, на полированной поверхности которых изготовлены однонаправленные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) из алюминиевой пленки, настроенные на частоту 91 МГц. Толщина подложек равна 0,5 мм. Их ширина равна 5 мм, а длина равна 28 мм. Толщина алюминиевой пленки равна 0,3 мкм. ВШП на одной из подложек является зеркальным по отношению к ВШП на другой подложке. Период ВШП (т.е. расстояние между одинаковыми электродами) равен 43 мкм, величина перекрытия электродов равна 2,5 мм. Число электродов в каждом из ВШП равно 55. Расстояние между подложками выбирается равным порядка длины ПАВ, а расстояние между ВШП - 250-300 длин ПАВ. При этом при переходе ПАВ с одной подложки на другую вносится затухание порядка 20 дБ. Это приводит к уменьшению сигнала тройного прохождения (который приводит к искажению фазочастотной характеристики), так как отраженные от ВШП ПАВ при переходе зазора между подложками испытывают затухание в 20 дБ, что приводит к дополнительному подавлению сигнала тройного прохождения в 60 дБ. Скорость ПАВ в ниобате лития равна 3980 м/с, а коэффициент электромеханической равен 0,058, что позволяет ПАВ переходить с одной подложки на другую при величине перекрытия подложек 20 мм и расстоянии между подложками 20-30 мкм. Края подложек сполированы, на них нанесены акустопоглотитель, что показано на чертеже. Это необходимо для уменьшения отражений ПАВ от краев подложки, которые искажают амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики изделия, уменьшая тем самым точность измерения, что недопустимо. Как показали измерения, для получения относительной точности измерения перемещения порядка 10-5 необходимо подавление паразитных сигналов порядка 80 дБ, что и достигается подбором зазора между подложками и сполировыванием краев подложек. Таким образом удается получить относительную точность измерения порядка 0,3·10-5.
Список использованных литературных источников
1. A.Gordon, S.Katz. Circuit&system, ink.
2. A.Gordon, S.Katz. Circuit&system, ink.
3. Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1990 г.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ | 2010 |
|
RU2458319C1 |
ПАССИВНЫЙ БЕСПРОВОДНЫЙ ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОНООКИСИ УГЛЕРОДА | 2015 |
|
RU2581570C1 |
ПАССИВНЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ | 2015 |
|
RU2585487C1 |
Устройство для измерения угла наклона | 1980 |
|
SU954822A1 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ПАССИВНЫХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С ФУНКЦИЕЙ АНТИКОЛЛИЗИИ | 2018 |
|
RU2756413C1 |
Датчик давления | 1988 |
|
SU1525508A2 |
Пассивный беспроводной датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах | 2018 |
|
RU2692832C1 |
ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МОНООКИСИ УГЛЕРОДА | 2013 |
|
RU2550697C1 |
Бесконтактный датчик тока на поверхностных акустических волнах | 2021 |
|
RU2779616C1 |
ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ | 2008 |
|
RU2387051C1 |
Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для контроля различных физических величин. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах с температурной компенсацией, состоящий из датчика перемещения, содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, а также датчик температуры, который выполнен идентично датчику перемещения, только поверхности, на которых закреплены звукопроводы не перемещаются, а находятся в фиксированном положении, так что расстояние между ВШП равно 200-300 периодов ВШП. ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F1, ВШП температурного датчика включены в цепь обратной связи другого усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F2, причем сигналы от обоих генераторов подаются на устройство, выдающее отношение частот этих генераторов. 1 ил.
Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с температурной компенсацией, состоящий из датчика перемещения, содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенных рабочими поверхностями друг к другу, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы и на них нанесен акустический поглотитель таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, а также датчик температуры, содержащий пьезоэлектрический звукопровод из того же материала, что и звукопроводы датчика перемещения, на рабочей поверхности которого расположены два ВШП с тем же периодом, что и у ВШП датчика перемещения, и расстояние между которыми равно 200-300 периодов ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F1, ВШП температурного датчика включены в цепь обратной связи другого усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F2, причем сигналы от обоих генераторов подаются на устройство, выдающее отношение частот этих генераторов, отличающийся тем, что температурный датчик выполнен идентично датчику перемещения, только поверхности, на которых закреплены звукопроводы, не перемещаются, а находятся в фиксированном положении, так что расстояние между ВШП равно 200-300 периодов ВШП.
Преобразователь для измерения линейных перемещений | 1986 |
|
SU1352203A1 |
Устройство для измерения линейных перемещений | 1985 |
|
SU1295221A1 |
Датчик микроперемещений на поверхностных акустических волнах | 1987 |
|
SU1469351A1 |
Щеточный узел электродвигателя с торцовым коллектором | 1986 |
|
SU1410152A1 |
Авторы
Даты
2009-01-20—Публикация
2006-11-16—Подача