CC BY
67
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
УДК 681.586
ЛІНІЯ ЗАТРИМКИ НА ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ ДЛЯ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН
Піддубний В.О., Лопушенко В.К., Піддубний В.В.
Прилади на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) завойовують позиції, де раніше використовувались традиційні рішеннСеред іншого це стосується генераторів кодивань. Генератори коливань на ПАХ [1,2] мають високу стабільність частоти, низьку температурну чутливість, перекривають діапазон частот від одиниць МГц до декількох ГГц, а головне те, що в них механічна деформація матеріалу, з якого виготовлений звукопровід, пов’язана зі зміною частоти генерації [3]. Тому ПАХ генератори все частіше використовують для створення перетворювачів механічних величин (ПМВ) в електричний частотний сигнал.
Перетворювач механічних величин складається з двох частин: первинного (ПП) та вторинного (ВП) перетворювачів. ПП - це пружний чутливий елемент (ЧЕ) відповідного конструктивного виконання (консольний чи мембранний) [4,5], напружено-деформований стан якого залежить від величини вимірюваної механічної величини (тиску, переміщення то що). ВП - це лінії затримки (ЛЗ) на ПАХ, розміщені на поверхні ПП, та електронна схема, яка забезпечує обробку сигналу. ВП будується за диферен-ційною схемою, яка складається з двох ПАХ генераторів, що перетворюють напружено-деформований стан ЧЕ в високочастотний сигнал, та змішувача, який переносить інформацію про механічний вплив в низькочастотну частину діапазону зручну для обробки вимірювальними засобами. Всі ПМВ мають в своєму складі ЛЗ, розміщені на деформованій поверхні ЧЕ, параметри яких, здебільшо, і визначають метрологічні характеристики.
Зв’язок метрологічних характеристик ПМВ з параметрами ЛЗ
ЛЗ вмикається в коло позитивного зворотного зв’язку високочастотного підсилювача (ВЧП), що створює ПАХ генератор, частота якого пропорційна величині вимірюваного параметру. Частота генератора зв’язана з параметрами ЧЕ та ВЧП: dro(Хг)/droO = SXє(Хг) + dro(T)/ю0 + <ію(юе)/ю0 ,
де SX - коефіцієнт деформаційної чутливості датчика на ПАХ; ъ(Х) - відносна деформація ЧЕ під дією механічного параметру А), який впливає на стан чутливого елементу; dro(T)/ю0- температурний дрейф частоти ПАХ генератора, d®(®e)/ю0 - нестабільність частоти, яка визнається флуктуаціями фазових набігів в електричних колах ВЧП фе. Температурний дрейф dro(T)/ю0 = ST1AT + ST2AT2 + ST3AT3 [4], де ST1, ST2, ST3 - коефіцієнти температурної чутливості ПАХ генератора, AT - зміна температури навколишнього середовища.
56
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
Значення коефіцієнтів SX, ST1, ST2 та ST3 для основних матеріалів, з яких виготовляються ЧЕ ПМВ, наводяться в табл. 1.
Таблиця 1
Матеріал чутливого елементу Sx S71 -105, 1/оС Sn-105, 1/оС ST3-105, 1/оС
Y - зріз а кварцу -0,90 2,80 0 0
ST - зріз а кварцу -1,44 0 -1,25 0
AT - зріз а кварцу -1,10 0 0 0,40
ZnO - SiO2 плавлений 1,85 5,0 0 0
Метрологічні характеристики:
- девіація вихідн°ї частоти - A/0max = Sxє(Xtтах)®о,
- масштабний коефіЦієнт - Кх = Sx є max (Xi тах)ю о/AXі max ,
- порогова чутливість - B = 10Кхю05К,
- динамічний Діапазон - D = XimaxiХгmin = SXЄmax(XimaxV(1."10)5K [5L
де Ximax - верхняя межа вимірюваного параметру, smax(Xmax) - гранично допустима деформація ЧЕ, AXmax - максимальний діапазон виміру параметру Хі,, 5К - короткочасова нестабільність ПАХ генератора, пов’язані з міцністю, діапазоном лінійних деформацій ЧЕ та нестабільністю частоти ПАХ генератора 5К = Аю/ю0 =A///0 = A5e/2Q. Нестабільність залежить від добротності резонансної системи автогенератора (ЛЗ на ПАХ) Q та флуктуацій фазових набігів в активній частині генератора Афе.
Добротність ЛЗ на ПАХ Q = пМ = 0,5ш0, визначається відносною акустичною довжиною ЛЗ М = /0 т = f0-L/V, де т - час затримки сигналу в ЛЗ, L
- відстань між зустрічно-штировими перетворювачами ЛЗ, V - швидкість розповсюдження поверхневої акустичної хвилі в матеріалі ЧЕ. Необхідне значення М та висока лінійність ФЧХ в смузі частот, які генеруються, забезпечуються топологією ЛЗ на ПАХ.
Вибір топології ЛЗ та її розрахунок Для визначення вимог до топології ЛЗ розглянемо основні її характеристики. Нехай ЛЗ складається з двох зустрічно-штирових перетворювачів (ЗШП) з різною кількістю пар електродів в кожному із них Nj, N2. Функція передачі такої ЛЗ визначиться виразом HЛЗ (ю) = К • Я1(ю) • Я1(ю), де К -
коефіцієнт передачі ЛЗ, Я1(ю) - АЧХ вхідного ЗШП, Н2(ю) - АЧХ вихідного ЗШП. Для неаподізованих, еквідістантних ЗШП - Я1(ю) = sin(xj/x1,
Я1(ю) = sin( x2)/X2 , де X1 = П • N1( f - /0)l /0, X2 = П • N2 (f - /0)l /0, Nb N2 -
числа пар електродів в ЗПШ.
Розглядаючи ЛЗ як елемент, що вносить запізнення т в передачу сигналу з вхідного до вихідного ЗШП, можна записати його фазочастотну характеристику фЛЗ (ю) = ют. Тоді рівняння балансу фаз фЛЗ (ю)+фе (ю)=2пп ПАХ
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 57
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
генератора прийме вигляд ют+^е (ю)=2пп. Звідки знаходимо набір можливих частот коливань в замкненому контурі ЛЗ-ВЧП юп = (2nn -фе)/т. Таким чином спектр коливань ПАХ генератора є лінійчатим. Віддаль між сусідніми спектральними лініями постійна і дорівнює Аю = юп - юп-1 = 1/т = V/L . Для забезпечення однозначної залежності вихідної частоти від величині вимірюваного параметру необхідно підтримувати незатухаючі коливання лише на одній частоті. Це досягається селективністю ЛЗ, яку проектують так, щоб задовольнити систему нерівностей ККВЧПЯ1(ю)H2(ю) > 1, ю = юп; ККВЧПН1(ю)H2(ю) < 1, ю < юп-1, ю > юп+1. Одночасне виконання цих нерівностей визначає одномодовість роботи ПАХ генератора. При цьому кількість пар електродів в одному з ЗШП (вузько-смуговому) повинна бути NB = L/ Х0 = ю^/2nV, де Х0 - довжина поверхневої акустичної хвилі на акустичного синхронізму ЛЗ.
Таким чином однією з вимог до топології ЛЗ є рівність довжини одного із ЗШП (вузькосмугового) акустичній довжині ЛЗ. В цьому випадку генерується лише одна частота юп, а всі останні можливі частоти генерації знаходяться в областях нульового коефіцієнту передачі ЛЗ. Для компенсації фазових набігів, що вносяться ВЧП та узгоджувальними ланцюгами, необхідно скоректувати довжину акустичного шляху L на AL = (-п + (ре )V/юп. Така корекція дозволяє точно встановити значення частоти генерації.
Кількість пар електродів в вузькосмуговому ЗШП пов’язана з добротністю коливальної системи Q та визначається заданим динамічним діапазоном D = А/тах/А/тіп. Зважаючи на те щ° А/тах = /оєтах(X,тах) а А/min > $К/0, то, знаючи D, можна знайти добротність ЛЗ
Q = DApе/SXєтах(Хг тах), кількість пар електродів в вузькосмуговому ЗШП NB = Qlп та відносну акустичну довжину ЛЗ M = Ne.
Робоча частота та смуга пропускання вузькосмугового ЗШП лінії затримки відповідно дорівнюють: /0 = V/Х0 = V/2d, А/в = /0/Ne, де d - крок електродів ЗШП, d = 2а, а - ширина електродів. Мінімальне значення апертури ЗШП з урахуванням дифракційних спотворень акустичних потоків
при розповсюдженні ПАХ визначається з умови Wmin = P\Jт//0 = V У L/V/0,
де т = L/V - час затримки сигналу в ЛЗ.
Змінюючи величину апертури перетворювачів ПАХ в межах W > Wmin можна варіювати опором випромінювання Ra, забезпечуючи узгодження опорів ЗШП ЛЗ та вхідного чи вихідного опорів ВЧП. Значення опору може бути розраховане за формулою Ra = 4k2/(W/0CEFN), де CEF -погонна ємність пари електродів, N - число пар електродів ЗШП. Станична ємність перетворювача визначається, як Cn = CEFNW, та лежить в межах 5...20 пФ.
58
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
Для зменшення впливу статичної ємності Сп використовують компенсуючу індуктивність, що включається послідовно чи паралельно із ЗШП. Утворений коливальний контур повинен мати власну резонансну частоту близьку до частоти акустичного синхронізму. Однак при зменшенні затухань в коливальній системі „ЗШП - компенсуюча індуктивність”, як правило, погіршується довгочасова стабільність автогенератора за рахунок впливу нестабільностей елементів узгодження. Це для ПАХ генератора ПМВ недопустимо. Відмова від компенсуючих індуктивностей супроводжується збільшенням втрат в ЛЗ, які можна розрахувати відповідно до [5], що призводить до необхідності використання в активній частині ПАХ генератора ВЧП з більшим коефіцієнтом підсилення.
Для перетворення напружено-деформованого стану ЧЕ в електричний сигнал на його поверхні сформовано дві лінії затримки на ПАХ. Одна із них розміщена в зоні максимальної деформації а друга в зоні деформації зворотного знаку. Лінії затримки однакові по конструкції і складаються з трьох ЗШП: вузькосмугового, широкосмугового та акустичної розв’язки. Для зменшення паразитного відбиття ПАХ від сусідніх електродів використане їх розщеплення. Параметри ліній затримки наведені в табл.2.
Таблиця 2
Параметр Один. виміру Значення
Частота акустичного синхронізму МГц 78,85
Смуга пропускання по рівню 0 дБ кГц 490
Втрати в ЛЗ дБ 12...14
Форма АЧХ ЗШП sin(x)/x, x = n ■ N(f - fo )/ fo
Подавления бокових пелюсток АЧХ ЛЗ дБ 13...18
Тип ЗШП Неаподізовані, еквідістантні з розщепленими електродами
Кількість електродів вузькосмугового ЗШП пар електродів 160
Активна складова Ra вузькосмугового ЗШП Ом 420
Статична ємність Cn вузькосмугового ЗШП пФ 20
Кількість електродів широкосмугового ЗШП пар електродів 80
Активна складова Ra широкосмугового ЗШП та ЗШП акустичної розв’язки Ом 840
Статична ємність Cn широкосмугового ЗШП та ЗШП акустичної розв’язки пФ 10
Довжина ПАХ Хо мкм 40
Відстань електрод/проміжок мкм 5
Апертура мкм 2500
Відстань між центрами ЗШП для ЛЗ1 мкм 6413
Відстань між центрами ЗШП для ЛЗ2 мкм 6415
Для забезпечення генерації на різних частотах з рознесенням в 50 кГц ЛЗ1 та ЛЗ2 мають різні фазові набіги, які визначаються різницею в 2 мкм між центрами ЗШП. Частоти генерації складають 78,85 та 78,90 МГц.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 59
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
Результати експериментальних досліджень
ЛЗ виготовлялася стандартними методами органічної фотолітографії на мембрані з п’єзоелектричного кварцу ST-зрізу та випробовувалася в складі ПАХ датчика, побудованого по диференційній схемі аналогічно [6]. Застосування таких ЛЗ забезпечує високу стабільність частоти генерації (короткочасова нестабільність частоти менше ±1 Гц за секунду, середньочасова — ±10 Гц за годину) кожного із автогенераторів та лінійність пере-строювання частот генерації, під дією вимірюваного механічного параметру, в діапазоні ±25 кГц від значення базової частоти ПМВ 50 кГц.
Таким чином отримано математичні вирази, які дозволяють по заданим метрологічним характеристикам спроектувати, розрахувати топологію та електричні параметри ліній затримки на ПАХ для перетворювачів механічних величин в електричний частотний сигнал, які з успіхом можуть використовуватися для створення високоточних вимірювальних приладів механічних величин.
Література
1. Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М.Стабильные генераторы на поверхностных акустических волнах. — М.: Радио и свіязь. — 1983. — 136 с.
2. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты / Речицкий В.И. — М.: Радио и связь. — 1987. — 192 с.
3. Деформационные, температурне и гироскопические эффекты в автогенераторах на ПАВ / М.А. Павловський, В.К. Лопушенко, Н.Г. Черняк, Н.Г.Кондратенко // Механика гироскопических систем. - 1989. - № 9. - С 50-56.
4. Черняк Н.Г. Акустоелектронні низькочастотні лінійні акселерометри для систем управління рухомих об’єктів // Механіка гіроскопічних систем. - 2008. - №.19. - С 116-124
5. Піддубний В.О., Лопушенко В.К., Піддубний В.В. Генератор на поверхневих акустичних хвилях для перетворювачів механічних величин // Механіка гіроскопічних систем. - 2008. - №19. - С 104-116.
6. Піддубний В.О. Вимірювальні перетворювачі рідини та газу // Інформатизація та нові технології. - 1995. - №2. - С.14-16.
Піддубний В.О., Лопушенко В.К., Піддубний В.В. Лінія затримки на поверхневих акустичних хвилях для перетворювачів механічних величин. Наведені результати досліджень деформаційної та температурної чутливостей лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях.
Ключові слова: лінія затримки, поверхневі акустичні хвилі__________________
Поддубный В.А., Лопушенко В.К., Поддубный В.В. Линия задержки на поверхностных акустических волнах для преобразователей механических величин. Приведены результаты исследований деформационной ы температурной чувствительностей линии задержки на поверхностных акустических волнах.
Ключевые слова: линия задержки, поверхностные акустические волны___________
Poddubny V.A., Lopushenko V. K., Poddubny V. V. The Delay Line Surface Acoustics Waves For Mechanical Value Transformer. The results of the deformation and temperature sensitivity of the delay line on surface acoustic wave are given.
Key words: the delay line, surface acoustic wave___________________________
60
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
