ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2011 года по МПК G01N29/00 

Известен ряд пассивных акустоэлектронных устройств - конвольверов [1-7], которые широко используются как нелинейные преобразователи сигналов, подаваемых на встречно-штыревые преобразователи (ВШП), расположенные на акустической подложке, выполненной из пьезоматериала, между которыми размещен сплошной электрод - приемник результирующих сигналов (свертки сигналов). Такое устройство называют устройством свертки вырожденного типа. Сегодня конвольверы находят широкое применение, т.к. имеют бесспорное преимущество перед другими ПАВ устройствами - в них есть возможность интегрировать функции обработки сигналов БПФ (быстрое преобразование Фурье), не требующее аналого-цифровых преобразований (АЦП).

Известно также устройство [1, с.236] для измерения давления, которое представляет собой подложку из ниобата лития (LiNbO₃) с нанесенными на ее поверхность встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). Измерение величины давления основано на создании механических напряжений вдоль плоскости подложки, что вызывает изменение геометрических размеров последней и скорости распространения ПАВ и, как следствие, изменение времени задержки распространения пучка ПАВ от излучающего ВШП до приемного ВШП. Датчик данного типа в основном применяется для измерения медленно меняющихся процессов (близких к стационарным), что и является его существенным недостатком.

Известно также устройство [1, с.48] - пьезорезонансный датчик давления, который представляет собой пьезопластину, прочно закрепленную на измеряемом объекте. Простота такого устройства нашла широкое применение в вибродиагностике. Однако здесь наибольший интерес представляет спектр вибрационного воздействия на датчик, что требует достаточно сложного вычислительного математического аппарата с применением алгоритмов БПФ (быстрое преобразование Фурье) и DSP (digital signal processor) цифровых сигнальных процессоров.

Аналогичным к заявляемому изобретению по конструктивному исполнению является акустический конвольвер, применяемый в радиолокационных станциях Patriot, Awacs [3, с.27, ПРИЛОЖЕНИЕ 1]. Это устройство осуществляет "свертку" отраженного сигнала, фактически являясь ПАВ Фурье процессором, который осуществляет БПФ применяемого сигнала.

Акустический конвольвер на ПАВ представляет собой технологически завершенное устройство, реализованное на одном кристалле. В качестве подложки используется пьезоэлектрический кристалл ниобата лития, на подложку которого напыляется металлическая пленка, которая путем травления образует ВШП на обоих концах кристалла, а параметрический электрод между обоими ВШП выполняет роль акустического волновода. С помощью ВШП поданные на соответствующие входы рабочий и опорный сигналы преобразуются в волны сжатия, которые распространяются со скоростью звука в противоположных направлениях вдоль параметрического электрода. Нелинейное взаимодействие встречных ПАВ приводит к генерации на выходе акустического волновода сигнала, величина которого с точностью до постоянного множителя равна произведению амплитуд этих волн, проинтегрированному на интервале, равном длине параметрического электрода. При интегрировании по времени происходит свертка входного и опорного сигналов с одновременным сжатием входного сигнала в два раза.

Наиболее близким к заявляемому [4, с.304] является устройство обработки сигналов - конвольвер с холостой ПАВ, который конструктивно не отличается от невырожденного конвольвера, но сигналы поступают на один из ВШП и на параметрический электрод, а результирующий сигнал снимается со второго ВШП. Датчик такого типа приведен на Фиг.1.

Такой конвольвер называют: невырожденный акустический конвольвер, и он содержит: 1 - акустические поглотители паразитных ПАВ, 2 - параметрический электрод, 3,1; 3,2 - ВШП, 4 - основание (акустический поглотитель), 5 - подложка (LiNbO₃).

К недостаткам прототипа, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относятся: подавление влияния объемной волны от исследуемого источника вибрации за счет применения сплошного основания и изготовления шероховатой нижней части подложки.

Целью предлагаемого изобретения является: снижение времени обработки спектра принимаемой вибрации до времени, определяемого максимальной задержкой прохождения ПАВ по подложке датчика, за счет исключения устройства вторичной обработки сворачиваемых сигналов.

Конструкция предлагаемого датчика на ПАВ и его частотно-временная характеристика соответственно приведены на Фиг.2 и Фиг.3. ВШП 3,1 и ВШП 3,2 представляют собой металлизации с интервалами, между электродами, изменяющимися линейно с шагом от 0,176 мм до 1,76 мм, - это вызывает излучение акустического пучка, частота которого линейно изменятся от (1 МГц) до (10 МГц). Гребенка ВШП 3,2 имеет зеркальное отражение ВШП 3,1.

Технический результат, который достигается при реализации изобретения, - это возможность съема, обработки принимаемых информационных сигналов от воздействующих вибраций за счет осуществления преобразования Фурье непосредственно в структуре датчика (перенос спектральной характеристики вибросигналов во временную область).

Указанный технический результат достигается тем, что датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий подложку из ниобата лития (LiNbO₃) со специально обработанной нижней поверхностью, встречно-штыревые преобразователи, напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, согласно изобретению снабжен акустическим звуководом, кроме того, нижняя сторона подложки обработана так, что нижняя поверхность подложки под ВШП - шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП - гладкая, при этом основание состоит как бы из двух частей, между которыми находится акустический звуковод в виде полированного бруска металла (например, бронзы), размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления между балками гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 мм до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количества гребенок ВШП.

Суть изобретения поясняется графическими материалами, Фиг.2 и Фиг.3. Конструктивно датчик, Фиг.2, состоит из акустических поглотителей паразитных ПАВ - 1; зоны обработки акустических сигналов - 2; встречно-штыревых преобразователей 3,1 и 3,2; основания или акустического поглотителя - 4; звуковода - полированного бруска металла - 5; подложки из пьезоматериала, например ниобата лития (LiNbO₃), - 6.

Датчик на ПАВ работает следующим образом. При подаче на ВШП 3,1 короткого импульса напряжения в подложке возникает ПАВ частота, которая линейно изменяется от 1 МГц до 10 МГц, распространяющаяся в сторону зоны обработки, и если присутствует акустическая вибрация, проходящая через акустический звуковод в зону обработки, то она по амплитуде воздействует на ПАВ и на приемном ВШП 3,2 будет получена ПАВ плюс вибрационное воздействие, а так как устройство осуществляет преобразование Фурье, то с ВШП 3,2 снимается спектральное представление вибрационного воздействия, перенесенное из частотной области во временную область. На Фиг.3 приведена в качестве примера одна из частот акустической вибрации, после обработки которой на выходе датчика будет сигнал, и о его частоте можно судить по величине задержки сигнала относительно запускающего импульса.

Отличия предлагаемого датчика от конвольвера можно пояснить следующим образом: во-первых, акустический конвольвер осуществляет обработку электрических сигналов путем преобразования последних в ПАВ, распространяющихся навстречу друг другу, и выделением результирующего сигнала с параметрического электрода, а предлагаемый датчик осуществляет прием и обработку акустической вибрации от исследуемой поверхности за счет суммирования ПАВ, излученной при подаче на ВШП короткого импульса напряжения и вибрационных воздействий от исследуемой поверхности, прошедших через акустический звуковод, и обратное преобразование ПАВ в электрическое напряжение на втором ВШП; во-вторых, конструктивное исполнение датчика отличается от конвольвера тем, что для конвольвера акустическая вибрация является паразитной и в целях борьбы с ней нижняя сторона подложки обработана так, чтобы полностью исключить влияние последней, а у предлагаемого датчика, наоборот, фрагмент нижней стороны подложки в центральной части предназначен для пропускания акустической вибрации.

К достоинствам предлагаемого датчика можно отнести следующее: простота конструкции и, как следствие, низкая стоимость, способность обработки акустической вибрации в структуре датчика, что снижает временные затраты до времени, определяемого максимальной задержкой распространения ПАВ от излучающего ВШП до приемного ВШП.

Датчик на поверхностных волнах предполагается использовать для оценки величины износа трущихся поверхностей, например подшипников скольжения. Известно, что любая точка поверхности вкладыша подшипника скольжения обладает шероховатостью. В теории износа [2] шероховатость поверхности рассматривают как элементарные балки, жестко заделанные в основание.

Приложение

Теоретическое обоснование предлагаемого датчика на ПАВ может быть пояснено приведенной. Фиг.4, на которой изображена элементарная неровность под действием внешней силы.

Известно, что существует два вида трения - внутреннее и внешнее. Внешнее трение характеризуется единичными точками касания. Внутреннее трение - касание практически непрерывное. При силовом воздействии на элементарную неровность (см. Фиг.4) она противодействует возмущающим силам (Р) в виде момента инерции частицы относительно центра колебаний (y₀). Частота этих колебаний определяется геометрическими размерами неровности и составляет порядка единиц мегагерц.

где I - момент инерции относительно центра колебаний

I=I₀+m[(h+2·R_A)·(η-0.5)+2·R_A·(1-η)]²,

I₀ - статический момент инерции,

m - масса заделки элементарной неровности (балки),

R_A - среднеарифметическое отклонение высоты элементарной неровности,

η - коэффициент подвижности элементарной неровности η=y₀·h,

h - высота неровности,

С - жесткость акустического материала.

При нормальной работе подшипника скольжения появление точек касания носит случайный характер и, следовательно, сигнал на выходе датчика будет случайным. Если имеет место внутреннее трение (начало задира), то сигнал будет детерминированным, т.е. он будет повторяться через определенные интервалы времени. Амплитуда сигнала при этом увеличится и по ее величине можно определить вид износа: при внешнем износе (нормальный режим работы) амплитуда будет малой, при внутреннем износе (начало задира) амплитуда увеличится, а также по величине задержки сигнала на выходе датчика относительно зондирующего импульса на входе датчика можно определить, какого размера частицы вкладыша участвуют в процессе износа.

Литература

1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 272 с.

2. Ханин М.В. Механическое изнашивание материалов М.: Издательство стандартов. 1984, с.152, ил. 7.

3. "Радиоэлектроника за рубежом". Информ. бюл. 1983, - Вып.19 (991), с.1-37 (НИИЭИР).

4. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990 - 416 с.: ил.

5. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов: Справ. пособие / В.В.Дмитриев и др. Под ред. Б.Ф.Высоцкого, В.В.Дмитриева. - М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.

6. Морозов А.И., Проклов В.В., Станковский Б.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1981. - 184 с.

7. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. - М.: Сов. радио, 1975. - 176 с.

Использование: для обнаружения локальных дефектов в твердых телах и анализа износа их поверхностей. Сущность: заключается в том, что датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержит подложку из ниобата лития (LiNbO₃), встречно-штыревые преобразователи (ВШП), напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, а также акустический звуковод в виде полированного бруска металла, причем нижняя поверхность подложки обработана так, что нижняя поверхность подложки под ВШП шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП гладкая, при этом основание состоит из двух частей, между которыми находятся акустический звуковод, размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 мм до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количеств гребенок ВШП. Технический результат: снижение времени обработки спектра принимаемой вибрации до времени, определяемого максимальной задержкой прохождения ПАВ по подложке датчика. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий подложку из ниобата лития (LiNbO₃) со специально обработанной нижней поверхностью, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, отличающийся тем, что он снабжен акустическим звуководом в виде полированного бруска металла, нижняя поверхность подложки обработана так, что нижняя поверхность подложки под ВШП шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП гладкая, при этом основание состоит из двух частей, между которыми находится акустический звуковод, размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 мм до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количеств гребенок-ВШП.

2. Датчик на поверхностных акустических волнах по п.1, отличающийся тем, что акустический звуковод выполнен из металла, например бронзы.