CC BY
54
УДК 681.586
ДЕФОРМАЦ1ЙНО-ЧУТЛИВИЙ ПАХ ГЕНЕРАТОР
Пiддубний В.О., Пiддубний В.В.
Розглянут1 питання деформацтног та температурног чутливостей генератор1в на поверхневих акустичних хвилях. Приведено опис тарезультати досл1джень.
Вступ
Прилади на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) все бшьше заво-йовують позици, як рашше твердо були зайнят традицшними пристроями радюелектронно! апаратури. До таких пристро1в можна вiднести генерато-ри на ПАХ. [1,2] Вони мають високу стабшьшсть частоти, достатньо низь-ку температурну чутливють, можуть працювати в дiапазонах частот вiд одиниць МГц до одиниць ГГц. ПАХ генератори технолопчш, активна та пасивна !х частини виготовляються в единому технолопчному циклi на единш основi. Вони все частше використовуються для створення приладiв вимiрювання електричним способом мехашчних величин (ПАХ датчики), таких як сила, мехашчне перемiщення, тиск, прискорення, т.ш. [2 - 4]
Постановка задачi
Використання ПАХ генераторiв в пристроях вимiрювання механiчних величин мае сво! особливостi, до яких слщ вiднести
- деформацiйну та температурну чутливост фазового зсуву в чутли-вому елементi, спiввiдношення яких в значнш мiрi визначае точнiсть вимь рювання механiчних параметрiв;
- частотний вихщ та можливiсть побудови датчиюв по диференцiйнiй схемi: ПАХ датчики мають п'езоелектричний чутливий елемент, на повер-хнi якого нанесенi двi лши затримки (ЛЗ) на ПАХ, причому одна з них розмщена в зош додатно!, а шша - вщ'емно! деформацп; ЛЗ шдключеш до високочастотних пiдсилювачiв, утворюючи два ПАХ генератори, яю пра-цюють на близьких частотах i знаходяться в одному корпусi в безпосеред-нiй близькостi один вiд одного, що приводить до суттевого впливу одного генератора на шший.
Урахування цих особливостей роботи деформацшно-чутливих ПАХ генераторiв дозволяе в значнiй мiрi полiпшити характеристики точностi ПАХ датчиюв.
Теоретичнi викладки
В складi ПАХ датчика можна видшити такi основш вузли, як два фун-кщональних перетворювача та змiшувач.
Функцюнальний перетворювач (ФП) - це пристрш призначений для перетворення мехашчного параметру (деформаци чутливого елементу) в електричний частотний сигнал. ФП складаеться з двох перетворювачiв: пе-рвинного (ПП) та вторинного (ВП). ПП - це пружний чутливий елемент (ЧЕ) вщповщного конструктивного виконання, напружено-деформований стан якого залежить вщ значення вимiрюваноl величини. ВП - це ЛЗ на ПАХ, виготовлена на поверхш ЧЕ та призначена для вимiрювання осеред-неного по довжиш ЛЗ напружено-деформованого стану ЧЕ в кожний момент часу. ЛЗ ввiмкнено в коло позитивного зворотного зв'язку високочас-тотного тдсилювача. Таке ввiмкнення створюе ПАХ генератор. ВП пере-творюе напружено-деформований стан ПП в електричний сигнал, частота якого пропорцтна величин вимiрюваного параметру.
Вихщний частотний сигнал ПАХ датчика зтмаеться зi змiшувача, на якому видшяеться рiзницева частота, що лежить в межах вщ 1 до 100 кГц
ю (Xi) = ®i(X,) - ®2(X), де ©1(Xi) та ©2(Xi) - вихiднi частоти першого та другого ФП; Xi - мехатч-ний параметр, що впливае на стан чутливого елементу.
ФП генеруе на частот^ на якт виконуеться баланс фаз
Флз(Х) + Фе(Х) = 2л«, (1)
де фЛЗ(Х) та фЕ(Х) - фазовi набiги вiдповiдно в ЛЗ та електричних колах тдсилювача, « - цше число.
При цьому
Флз(Х)= т(Х) юи(Х), де юи(Х) - частота генераци ВП, т(Х) - час затримки в ЛЗ, який пов'язаний з акустичною довжиною ЛЗ та швидюстю розповсюдження ПАХ.
Час затримки в ЛЗ, пов'язаний з акустичною довжиною ЛЗ та швидкь стю розповсюдження ПАХ, визначаеться як
Т(Х) = L(X) / V(X).
Шляхом нескладних перетворень з рiвняння (1) знаходимо вщносну змiну частоти генератора
ю (X)/ Ю1= V(X)/ Vo - L(X)/ L(Lo) - (1/2п«)Афе/фе де ю1 - частота генератора при вщсутност механiчного впливу; V(X)/V0, L(X)/L(L0), Афе/фе - вiдноснi змiни швидкостi розповсюдження ПАХ, акустично! довжини ЛЗ та фазового наб^у в електронних колах тд-силювача.
Враховуючи, що швидкiсть V розповсюдження ПАХ пов'язана з ттег-ральним модулем поверхнево! пружностi E та густиною поверхневого шару р ЧЕ залежшстю V 2 = E/р, можна записати
dV/ Vo = dE/2E - dp/p. (2)
З (2) видно, що для змши швидкост ПАХ необхщна змша густини по-верхневого шару MaTepiany ЧЕ та наявнiсть нелiнiйних ефекпв. HaBiTb при роботi ЧЕ далеко вщ пластичних деформацiй модулi пружност в деформо-ваному станi залежать вiд деформаци. Це пов'язано з нелшштстю уза-гальненого закону Гука (так звана фiзична нелiнiйнiсть матерiалу).
Е = Е0 + Кг,
де Е, Е0 - модулi Юнга в деформованому та недеформованому станах; s - вiдносна лiнiйна деформацiя поверхневого шару в напрямку розповсю-дження ПАХ, К - коефщент фiзичноl нелiнiйностi матерiалу ЧЕ. Тодi з (1) маемо
dm (Х)/ ю = SX s (Х) + аТ ST + ^фе/фе,
де SX та SТ-коефiцiенти деформацшно!' та теплово!' чутливостей перетворю-вача; аТ-температурний коефiцiент лiнiйного розширення матерiалу ЧЕ. Коефiцiенти SX та ST пов'язанi з коефiцiентом фiзичноl нелiнiйностi
Sx = K/(2 V2р) +(1 - 2ц)/2 - 1, St = K/(2V2р) + 1/2,
де ц - коефщент Пуассона матерiалу чутливого елементу.
Коефщенти фiзичноl нелiнiйностi рiзнi для рiзних матерiалiв:
для кварцу - ST -зрiзу KST = -1,9 -1010 кг/с2м,
10 2
для плавленого кварцу К = 11,16-10 кг/с м.
Вихщна частота перетворювача з урахуванням незначного впливу ме-хашчних перемiщень на фазовi наб^и в пiдсилювачi визначаеться, як
ю(Х) = «0 + Sx s(X) (Ю01 - Ю02) + St ат ©0,
де ю0; ю01; ю02 - вихiднi частоти ПАХ датчика, ФП1 та ФП2 при вщсутност деформаци, s(X) - вщносна деформацiя чутливого елементу.
Для консольного закршлення ЧЕ балочного типу його вщносна дефо-рмацiя s шд дiею сили F пов'язана з геометричними розмiрами та механiч-ними параметрами виразом
s(F) = 3F((l - /1)2 - (/ - /1 - L)2)/(E0Lbh2),
де /, b, h - довжина, ширина та товщина консольно закршлено!' балки; /1- вiдстань вщ мiсця закрiплення до середини найближчого зустрiчно-штирьового перетворювача (ЗШП) лши затримки на ПАХ, нанесено!' на поверхню ЧЕ.
Фазовi шуми шдсилювача Афе/фе визначають короткочасну стабшь-шсть частоти ФП
Аю/ю0 = (Афе/фе )/(2nM) де М - вщносна акустична довжина ЛЗ.
Дрейф вихщно! частоти визначаеться рiвнем паразитних зв'язюв мiж ПАХ генераторами, якi працюють на близьких частотах. При рознос час-
тот на 100 кГц при частотах генерацп 70...80 МГц паразитт зв'язки здшс-нюються через загальт кола живлення, сигнальт дроти та спшьне елект-ромагнiтне поле.
Принцип побудови та схемно-конструкторсьК особливостi
ПАХ датчик, побудований по диференцтнт схемi i виготовлений як моноблок, в корпус якого знаходиться ЧЕ консольного типу розмiрами 30х5х0,5 мм, виготовлений з кварцу - 8Т -зрiзу, та електронна схема iз чо-тирьох гiбридних iнтегральних схем (Г1С) ( два трьох каскадних ВЧ шдси-лювача типу СЕ-СЕ-СК, де СЕ та СК схеми шдсилювального каскаду на бшолярних транзисторах зi спiльним емiтером та колектором, змiшувач, виконаний по диференцiйнiй схемi, та вихщний каскад, зiбраний по схемi ОП-СК, де ОП - схема на операцшному пiдсилювачi), розроблених в МНД1 ПМ "Ритм" [5]. ЛЗ мають по два ЗШП - широкосмуговий (40 пар електродiв) та вузькосмуговий (8 секцш по 20 електродiв, що еквiвалентно 300 парам електродiв). Вони працюють на частотах близьких до 80 МГц. Активними елементами Г1С е транзистори типу 2Т3106А2, 2Т308А2, мш-росхеми типу 129 НТ1А1, 140УД12, як розмщеш на ситаловiй основi СТ50-1 в корпус типу 151.15-1. Чутливий елемент розмщений в спещаль-но розробленому металевому корпусi, виконаному iз сталi 36НХТЮ, який працюе як електромагштний екран та забезпечуе розв'язку мiж полями ФП не гiрше 36 дБ. Розв'язка по колам живлення здшснюеться за допомогою пасивних ЬС та ЯС фiльтрiв, причому частотозадаючi каскади генераторiв розв'язанi ЬС фшьтрами, а буфернi - за допомогою ЯС кiл, що забезпечуе розв'язку не пршу 45 дБ. Розв'язка по сигнальним дротам в значнш мiрi залежить вiд змiшувача. При безпосередньому змшуванш сигналiв на базi нелiнiйного елементу розв'язка складае близько 6 дБ, при використанш буферних каскадiв - 15...18 дБ, диференцшного - близько 40 дБ.
Результати експерименту
Параметри ФП та ПАХ датчика в цшому вимiрювалися на установщ, що складаеться з прийомного вузла, який перетворюе тиск повггря ( вiд 0 до 160 кПа) в лiнiйне перемiщення штока (хщ штока 0,398 мм), вимiрюва-ча частоти типу Ч3-35, джерела живлення типу Б5-47 та задатчика тиску типу МПА-15. Контроль тиску здшснювався зразковим манометром класу 0,15. Приймальний вузол та ФП або ПАХ датчик знаходилися в камерi тепла та холоду типу МС-81 з робочим дiапазоном температур -80...+120 0С. Температурна нестабiльнiсть визначалася в дiапазонi температур вiд мшус 30 до плюс 60 0С.
Результати дослiджень датчика механiчних величин (тиску) на по-верхневих акустичних хвилях наведет в таблищ.
Таблиця
№ Параметр Одиниця Значення
пп вимфу параметру
1 Дiапазон вимiрюваного тиску кПа 0...160
2 Вихщна частота кГц 110
3 Максимальна девiацiя вихщно! частоти кГц 50
4 Масштабний коефщент Гц/кПа 312
4 Вихщна частота ФП1 кГц 78830
5 Вихщна частота ФП2 кГц 78720
6 Нелшшшсть характеристики % 0,1
7 Короткочасна стабшьшсть вихщно! частоти од. за 1 с 0,9 10
8 Температурна нестабшьшсть, приведена до верхньо! межi вимiрювання % 1,5
Висновки
Використання математично1 модел^ що пов'язуе частоту вихiдного сигналу деформацшно-чутливого ПАХ генератора з геометричними розмь рами ЧЕ, ЛЗ та фiзичними параметрами п'езоелектричного матерiалу, схе-мотехнiчних та конструктивних рiшень як електронно1 частини так и ФП в цшому дозволяють створювати датчики мехашчних величин на ПАХ класу 1,0 та вище.
Л1тература
1. Дворников А. А., Огурцов В.И. Уткин Г.М. Стабильные генераторы на поверх-
ностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1983.-136 с.
2. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.: Радио и связь,
1987. - 192 с.
3. Пщдубний В.О. Вим1рювальш перетворювач1 тиску рщиш та газу.// 1нформати-
защя та нов1 технологи. - 1995. - №2. - с. 14 - 16.
4. Башкатов Р.С., Гурбик В.В., Соколов С.В., Тептюк С.В. Разработка и исследо-
вание датчиков давления на ПАВ.// Материалы конф. «Акустоэлектронные
устройства обработки информации». - Черкассы, 1990.
5. Поддубный В.А., Михацкий А.Ю., Башкатов Р.С. Измерительный преобразова-
тель на основе дифференциальных каскадов.// Механика гироскопических систем. - 1994 - № 13. - с. 117 - 120.
В.А.Поддубный, В.В.Поддубный Деформационно-чувствительный ПАВ генератор
Рассмотрены вопросы деформационной и температурной чувствительности генераторов на поверхностных акустических волнах. Приведено описание и результаты исследований.
V.A.Poddubny, V.V.Poddubny Deformation-sensitive SAW generator
The article deals with the issues of deformational and heat sensitivity of the generators on the surface acoustic waves. Description and results of research are shown.
Надтшла доредакци 20 квтня 2006року
