ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01D5/244 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для дистанционного измерения.

Известен чувствительный элемент для дистанционного измерения, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1, pp.1-15], состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пьезоплате напротив друг друга. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется время задержки.

Недостатком этих чувствительных элементов для дистанционного измерения - линий задержки на ПАВ - является малая дальность действия.

Известен также чувствительный элемент для дистанционного измерения, представляющий собой одновходовый резонатор [2, стр.388-389], состоящий из ВШП структуры и расположенных по обе стороны от ВШП металлизированных штыревых отражающих структур. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная частота резонатора). Недостатком этих резонаторов, применительно к дистанционному измерению, является малая дальность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент для дистанционного измерения, представляющий собой дисперсионную линию задержки на ПАВ [1, pp.1-15], состоящий из ВШП и расположенных на пьезоплате с одной стороны от ВШП отражающих структур (ОС) в виде системы канавок с переменным периодом, образующих дисперсионную структуру. В качестве информационного сигнала используется время задержки.

Недостатком этого чувствительного элемента является то, что абсолютное значение излученного чувствительным элементом импульса ограничено потерями на распространение ПАВ в материале, что приводит к ограничению дальности действия чувствительного элемента.

Задачей настоящего изобретения является увеличение импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента, что приводит к увеличению радиуса действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.

Важной характеристикой чувствительного элемента для дистанционного измерения является радиус действия чувствительного элемента, определяемый как максимальное расстояние между приемопередающим устройством и чувствительным элементом, на котором возможно считывание информации (измерение физической величины) с чувствительного элемента.

Так как радиус действия пропорционален корню четвертой степени из импульсной мощности [3], то с увеличением импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента увеличится радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.

Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе для дистанционного измерения, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, параметры отражающих структур в соответствии с параметрами зондирующего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, обеспечивают для каждой отражающей структуры максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов, что способствует увеличению импульсной мощности выходного сигнала. Увеличение импульсной мощности выходного сигнала увеличит радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.

Если на пути распространения ПАВ имеется неоднородность (канавка, выступ, полоска из другого материала, проводящий слой на пьезоэлектрике и т.д), то возникает рассеяние волны, поскольку падающая волна не удовлетворяет граничным условиям в области неоднородности [3, стр.96].

При отражении ПАВ распределение энергии между прошедшей, отраженной и рассеянными в объем волнами зависит от геометрии неоднородности и параметров среды. Располагая неоднородности периодически, можно добиться, например, того, чтобы отраженные волны складывались в фазе, а рассеянные - гасились за счет интерференции с различными фазами. Таким образом, используя мелкие канавки удается получать требуемое управление распространением волны.

В качестве неоднородностей чаще всего используют канавки, так как, меняя глубину канавок, можно управлять коэффициентом отражения. Находят также применение системы полосок из другого материала и металлических полосок на поверхности звукопровода.

Коэффициент отражения r волны Рэлея от одиночной канавки глубины h пропорционален отношению h/λ:

где C₁ - коэффициент, зависящий от формы канавки и параметров среды [4, стр.96].

Зависимость коэффициента отражения r от размеров неоднородности (канавки, металлического штыря) носит нелинейный характер и имеет максимумы и минимумы при размерах, сопоставимых с длиной волны.

При этом [5]:

,

где К_прох - коэффициент прохождения ПАВ для системы отражающих структур,

К_отр - коэффициент отражения ПАВ для системы отражающих структур.

Так как коэффициенты отражения и прохождения являются функциями геометрических размеров ОС и, следовательно, являются функциями частоты ПАВ, а также с учетом (2), возможно создание датчика физических величин на ПАВ, состоящего из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, отличающегося тем, что параметры отражающих структур в соответствии с параметрами зондирующего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, обеспечивают для каждой отражающей структуры максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов, что позволит увеличить импульсную мощность выходного сигнала чувствительного элемента. Увеличение импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента увеличит радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.

То есть импульсы с заданными параметрами с минимальными потерями проходят через все отражающие структуры, кроме той, которая согласована с данным конкретным импульсом. Вследствие этого можно увеличить коэффициент отражения согласованных с сигналом ОС и увеличить мощность выходного сигнала.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:

на Фиг.1 - приведена структура предлагаемого чувствительного элемента для дистанционного измерения с двумя типами отражающих структур;

на Фиг.2 - приведена временная диаграмма, поясняющая принцип работы чувствительного элемента для дистанционного измерения.

Чувствительный элемент деформации для дистанционного измерения (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1, на которой сформированы ВШП 2 и отражающие структуры 3, 4 и слой поглотителя 5. Отражающие структуры 3, 4 могут быть выполнены в виде периодических канавок или в виде системы металлических штырей. Поглотитель может быть выполнен в виде демпфирующей обмазки [5].

Пьезоплата 1 может быть выполнена из пьезоэлектрического материала (например, кварца). ВШП 2 представляет собой систему металлических электродов и выполняет роль возбуждения и приема ПАВ.

При этом отражающие структуры 3, 4 расположены с двух сторон от встречно-штыревых преобразователей 2.

Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [4]. Могут быть использованы и другие технологические процессы формирования металлических структур на пьезоплатах. Формирование канавок отражающих структур 3, 4 реализовано по технологии травления через маску или по технологии стоп-травления [5]. ОС в виде штырей могут быть выполнены методом фотолитографии.

Устройство работает следующим образом.

В качестве зондирующего электрического сигнала используется последовательность импульсов. Могут использоваться, например, частотно-модулированные, фазомодулированные, амплитудно-модулированные сигналы.

В качестве примера рассмотрим линейно-частотно-модулированный сигнал, состоящий из n импульсов (Фиг.2), в данном примере n=2.

Сигнал S длительностью t=T₂ состоит из n импульсов S_i длительностью (t_i-t_i-1), где i - порядковый номер импульса. Каждый из импульсов S_i характеризуется, например, длительностью, начальной и конечной частотами. При этом в качестве идентификационного признака каждого из импульсов S_i можно взять среднюю частоту этого импульса - f_i.

С внешнего источника (на чертеже не показан) подается зондирующий электрический сигнал, т.е. последовательности зондирующих импульсов. Зондирующий импульс S₂ поступает на ВШП 2 чувствительного элемента для дистанционного измерения, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2 ПАВ, характеризующаяся средней частотой f₂, распространяется в направлении ОС 3. Дойдя до ОС 3, ПАВ отражается в значительной степени в направлении ВШП 2, преобразуется в импульс, который поступает на внешнее измерительное устройство (на Фиг.1 не показано), например сетевой анализатор Agilent Е5070 В. Часть ПАВ, прошедшая ОС 3 без отражения, дойдя до ОС 4, проходит ее с незначительным ослаблением (отражением) и поглощается слоем поглотителя 5.

Далее на ВШП 2 чувствительного элемента для дистанционного измерения поступает импульс S₁, характеризующийся средней частотой f₁, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2 ПАВ, характеризующаяся средней частотой f₂, распространяется в направлении ОС 3. Дойдя до ОС 3, ПАВ проходит ее с незначительным ослаблением (отражением) и распространяется к ОС 4. Дойдя до ОС 4, ПАВ отражается в значительной степени в направлении ОС 3. Пройдя ОС 3 с незначительным ослаблением (отражением), ПАВ поступает на ВШП 2, преобразуется в импульс, который поступает на внешнее измерительное устройство (на Фиг.1 не показано), например сетевой анализатор Agilent Е5070 В.

Поскольку импульс S₂ поступает на ВШП 2 ранее, чем импульс S₁, а время прохождения ПАВ от ВШП 2 до ОС 4 и обратно больше, чем время прохождения ПАВ от ВШП 2 до ОС 3 и обратно, расстояния между ОС подобраны таким образом, что отраженные от ОС 3 и ОС 4 ПАВ поступают на ВШП 2 одновременно. Взаимодействие ПАВ с ОС подробно объясняется в [5].

Таким образом, на внешнее измерительное устройство поступают одновременно два импульса, амплитуды которых складываются.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату амплитуды, то импульсная мощность выходного сигнала увеличится.

Под действием измеряемой физической величины скорость распространения ПАВ под ОС 3, 4 изменяется, что приводит к изменению характеристик ПАВ и соответствующего выходного сигнала на ВШП 2.

Расположение ОС 3,4 с двух сторон от ВШП 2 позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением ОС, т.е. в два раза увеличить амплитуду отклика чувствительного элемента для дистанционного измерения.

Поскольку для импульсов с разными характеристиками параметры ОС подобраны таким образом, что для каждой отражающей структуры обеспечивается максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов, достигается увеличение импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента. Увеличение импульсной мощности выходного сигнала увеличит радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.

В качестве информационного сигнала могут быть использованы время задержки отклика чувствительного элемента для дистанционного измерения, центральная частота ПАВ, амплитуда сигнала.

Частота сигнала измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070 В) [5]. Время задержки измеряется, например, с помощью осциллографа. На основе градуировочной зависимости (центральная частота, время задержки - измеряемая физическая величина) изменению центральной частоты и времени задержки можно соотнести величину измеряемой физической величины.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение радиуса действия чувствительного элемента для дистанционного измерения за счет увеличения импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента.

Библиографические данные

1. Reindl «Wireless Passive SAW Identification Marks and Sensors», 2^nd Int. Symp. Acoustic Wave for Future Mobile Communiccation Systems, Chiba Univ. 3^rd-5^th March, 2004 - прототип.

2. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.

3. Карийский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Сов.радио, 1975.

4. Распространение поверхностных акустических волн в периодических сруктурах / Ю.В.Гуляев, В.П.Плесский / Успехи физических наук. Том 157, вып.1, 1989 г.

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

Чувствительный элемент для дистанционного измерения относится к приборостроению и может быть использован для дистанционного измерения. Согласно изобретению, чувствительный элемент для дистанционного измерения состоит из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур. Параметры отражающих структур в соответствии с параметрами зондирующего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, обеспечивают для каждой отражающей структуры максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов. Благодаря сложению отраженных волн, увеличивается импульсная мощность выходного сигнала чувствительного элемента, что позволяет увеличить радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения. 2 ил.

Чувствительный элемент для дистанционного измерения, состоящий из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, отличающийся тем, что параметры отражающих структур в соответствии с параметрами зондирующего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, обеспечивают для каждой отражающей структуры максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов.