CC BY
43
ПРИСТРО? ТА СИСТЕМИ РАДГОЗВЯЗКУ, РАДЮЛОКАЦП, РАДЮНАВП АЦП
УДК 681.586
ПЕРЕТВОРЮВАЧ МЕХАН1ЧНИХ ВЕЛИЧИН НА ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ
ШддубнийВ.О., Шддубний В.В.
Проведено розрахунок параметргв перетеорювача мехатчних величин в частотный вих1днш сигнал. Розглянут! деформацтна та температурна чутливкть. Наведена опис перетеорювача та результаты досл1дженъ.
Вступ. Постановка задач!
В сучаснш електроншД широко використовуються прилади основаш на збудженш ультразвукових хвиль в пружному середовицц. До таких приладгв вщносяться 1 генератори на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) [1,2], ви-сои показники якосл яких зумовлюють \"х поширення. Розроблений перетво-рювач мехашчних вшита (ПМВ) призначений для втуирювання тиску в д1а-пазош вад 0 до 100 кПа. Вш може використовуватися з! спещальним зондом для вим1рювання лшшного перемицення чи зусилля. Завдяки своТм перевагам (мал1 габарити та маса, висока швидкодая, низька нел1ншшсть характеристики, технолопчшсть) цей ПМВ дозволяе покращити метролопчш характеристики прилад!в.
Теоретичш викладки
ПМВ можна представити як функцюнальний перетворювач [5], що складаеться з первинного (Ш1) та вторинного (ВП) перетворювач1в. ПП -це пружний чутливий елемент (ЧЕ) ввдповщного конструктивного вико-нання, напружено-деформований стан якого залежить вщ значения вимь рювано'1 величини. ВП - це ЛЗ на ПАХ, виготовлена на поверхш ЧЕ та електронна схема, що дозволяе перетворити деформащю в електричний сигнал. ПМВ, побудоваш за диференцшною схемою, дозволяють в 1,5...2 рази збшынити його чутливкть в пор!внянш з ПМВ з одною ПАХ структурою та забезпечити температурну компенсащю.
ПМВ складаеться 1з ПП (мембрани), на деформовашй поверхш якого виготовлеш дв1 лшп затримки на ПАХ (Л31 та Л32). Вони розмщеш в мь сцях ЧЕ з протилежним знаком деформацп. В склад ВП входять шшг затримки, два високочастотних шдсилювача (ВЧП1 та ВЧП2), зминувач, фцгьтр нижшх частот та вихвдний шдсилювач.
Лшп затримки Л31 та Л32 вщпов1дно з шдсилювачами ВЧП1 та ВЧП2 створюють два ПАХ генератори (Г1 та Г2). Частота генераторов вибира-ються розстроеними на величину вихвдного сигналу при вщсутноста деформацп. Умовами генеращ'1 со01, соог е баланс фаз: фЛзЙ)+фе№)=2т та баланс амплпуд: ^яз(юо)'.К,вчп(<Во):2:1, Де флз® та фе(Д) - фазов1 набки в1дпо-вщно в ЛЗ та електричних колах шдсилювача; Клз та Квчп - втрати в ЛЗ та коефщент шдсилення ВЧП на частот! акустичного синхрошзму со0- Набгг фази в ЛЗ пов'язаний з частотою акустичного синхрошзму та часом затримки сигналу в звукопровод1 флзСУ/)-тЮ®о(Д), Де Юо(Х/) — частота акустич-
ВЫник Национального техшчногоушверситету УкраГни "КП1" 13 С ерш - Радютехтка. Рад1оапаратобудування.-2008.-М36
ного синхрошзму, частота мшмальних втрат в ЛЗ, т(Д) - час затримки в ЛЗ, який визначаеться акустичною довжиною ЛЗ та швидюстто розповсю-дження ПАХ х(Х1)=ЦХ,у¥(Х1). Ввдиосна змша частота генератора залежить В1Д змши швидкосп розповсюдження ПАХ А¥(Х,уУо, акустично! довжини ЛЗ АКХ^/ЦЬо) в деформованому та недеформованому сташ ЧЕ та величи-ни фазового наб1гу Афе/фс в колах шдсшновача со(А'-)/ш1=К(Ау/То-Ь(Х,уЬ(£о}-(1/2пп)А(ре/<р, Виадний сигнал утворюеться на змипувач1, де видшяеться ргзшстна частота 50 кГц при частотах генерацп (78,85...78,9 МГц). Напруга ришсно! частота подаеться на ФЕН, де подавляються паразита комбшацшш частота, що проходять на вихад змпнувача. Вихцщий шдсилювач забезпечуе нормування сигналу по амплпудо та необхвдш значения вихщного опору ПМВ. Функц1я перетворення ГПУ® мае вигляд [5]
Ю(^=®0+&е(^/)(с0ог(»02)+'5'га7<0>01-®02)+<»о^фе/фе (1)
де та Бт - деформацшна та температурна чутливоста перетворювача, е(Х) - вцдаосна деформащя ЧЕ пщ д1ею параметру Х-„ а?-коефшдент температурного розширення матер1алу чутливого елементу.
___Таблиця 1
Параметр Формула Од. BHMipy Величина
Номшальне значения вихщно1 частот frf<S\-fli2 кГц 50±1
Цевхащя вихщно! частоте Д/ои«=&ЕЕа,,,,„)(/"о1-/о2),&=0,94 кГц 25,0
Масштабний коефицент Кх~ (Sibmca(Xlmax)fo)/&Äimax Гц/'кПа 250
Похибка вимхрювання приведена до верхньоТ мела вишрюв. Ximca % ±0,25
Порогова чутливкть, B=10Kf0Ss Гц Па 10,0 40,0
Цинашчний д1апазон D—XiinaxlXimjn—Sx^ maxQi ima хУ ((1 — 10)5^) Од. 2500
Функщя перетворення визначае основш метролопчш характеристики ПМВ, представлен! в табл. 1, де Х,тах - верхня межа вим1рюваного параметру, SmaxiXmax) - гранично допустима деформащя Marepiany ЧЕ, АХЛ1ШХ - максима-льний д1апазон змши мехашчного параметру (тиску), Q, М - добротшсть та акустична довжина ЛЗ на ПАХ, т - час затримки акустично! хвшп в ЛЗ, 5К -короткочасова стабшьшсть ПМВ, фе - флуктуац1я фази в ВЧП 8к=Асо/юо=А/7/0=Афе/(20, д=гсМ=О,5ш0,
Для отримання високих метролопчних характеристик необхщно забез-печити високу добротшстъ ЛЗ на ПАХ та Mani флуктуацц фазового набггу в електричних колах ВЧП. 3(1) видно, що в диференцшнш cxeMi не можна досягти noBHo'i температурно1 комиенсацй'. Тому в конструкцию ПМВ введено теплочутливий елемент (мщний термометр тип}' ТМ221), який вико-ристовуеться для додатково\' температурно! компенсацй'.
Чутливий елемент ПМВ - мембрана з п'езоелектричного кварцу ST-зр!зу. Для забезпечення лшшноста функцй' перетворення мембрана вибрана тонкою (R/h>25; W0/h >0,5, де R — рад1ус мембрани, h - товщина мембрани, Wo - прогин центру мембрани) та жорстко закршлена по периметру. Ii' д1а-метр - Z)=2i?=18,2 мм, товщина — h=0,41 мм; товщина основи, з яко\' виго-
14 BicnuK Национального технЫного университету УкраИни "КП1"
СерЫ - РадютехнЫа. Рад1оапиратобудування.-2008.-№36
товлено мембрану - 5 мм. Напружено-деформований стан таксй мембрани однозначно визначаеться paдiaльними та тангенщальними деформациями: ег(Р)=±(ЗР( 1 -у2)(]1г-Ъг2у{Ш2Е))+аТТ, е,(Р)=±(3 Д1 -у2)(Л2-г2)/(8/г£))+агГ, де Р - вимрюваний тиск, Р = V та Е - коефшдент Пуассона та модуль Юнга матер!алу ЧЕ, г - поточний рад!ус (точка, в якш визначаемо вщносну деформацпо). За умов стабшыюста температури та розм!щення центру од-ше1 з ЛЗ в центр! мембрани (г—К), тобто там де вщсутня тангенщальна складова деформацп, можна знайти ъг{Ртах), а зпдно (1)1 максимальну де-в!ацно вихщно1 частота А^1ах=/о5_ЗРтт(1-\,2)В.2/(Ш2Е). Для перетворення напружено-деформованого стану мембрани в електричний сигнал на н по-верхн) сформован! дш ЛЗ. Одна з них розм!щена в зон! максимально!" радь альноУ деформащ!', а друга в зот вадсутносп деформацш або деформацп зворотного знаку. ЛЗ однаков! по конструкт! 1 складаються з трьох зустрь чно-штирьових перетворювач1в (ЗШП): вузькосмугового, широкосмугово-го та акустично!' розв'язки. Параметри шнш затримки наведеш в табл.2. Тополопя ЛЗ вибрана з умови юнування одномодового режиму генерацц -р1вност! довжини одного ¿з ЗШП (вузькосмугового) акустичнш довжиш ЛЗ: Ь=(2к1\1У)/а>о=Агв\о, де - юлыасть пар електродав в вузькосмуговому ЗШП, Яо - довжина хвит ПАХ на частота генеращ!'. При цьому генеруеться лише одна частота со0 а вш шин можлив1 частота генерацц знаходяться в областях нульового коефвденту передач! лши затримки. Для них не вико-нуеться умова балансу амшптуд. Коефтщент шдсилеяня ВЧП в дштазош частот 70...90 МГц Ао=-7.5 або адБ)-17,5>14,3 дБ (втрати в ЛЗ). Цього достатыьо дня вшшкненяя генерацБ! на частотах, що лежать в смуз! пропускания ЛЗ. Для забезпечення генерацц на рЬних частотах в межах смуги пропускания Л31 та Л32 мають р1зш фазов1 набпги, яш в!др!зняються один ввд одного на Ау=2я(/01-/02)т=2л(/а1-/02)(Ь/У). Це досягаеться незначною р1з-ницею в акустичнш довжиш лшш Л31 та Л32 А£=((-7с+Лф)^)/2л-/о1- Частота геиерацй' 78,85 МГц та 78,90 МГц,
Таблица 2
Параметр Од. винару Значения
Частота акустичного синхрошзму МГц 78,85
Смута пропускания по ршню 0 дБ кГц 493
Внесет втрати дБ 14,3
Форма АЧХ ЗШП 5Ш(Х)/.Т, Х=71М^оУЛ
Подавления бокових пелюсток АЧХ ЛЗ дБ ! 13...18
Гип ЗШП Неапод1зований, еквщистантний
Юльюсть електродЬ вузькосмугового ЗШП пар електрод1в 160
Юльюсть електродав ЗШП широкосмугового, акус-гкчно1 розв'язки пар електрод1в 80
Цовжина ПАХ мкм 40
Вщстань електрод/прсапжок мкм 10
Апертура мкм 2500
Вщстань мЬк центрами ЗШП для Л31 мкм 6413
Вщстань М1Ж центрами ЗНШ для Л32 мкм 6415
Вкник Нацюнального технЫного университету Укра1ни "КП1" 15 СерЫ - РадютехнЫа, Радюапаратобу()ування.-2008.-Ле36
Принцип побудови ПАХ датчика та результата експерименту
ПАХ датчик побудований по диференщйнш схем! 1 виготовлений як моноблок, в корпус! якого знаходиться мембрана з кварцу 5Г-зр1зу та елек-
тронна схема з пбридних штегральних схем, розроблених КБ "Ритм" [3]. __Таблиця 3
Вузол Параметр Од. вим1ру Значения
А1Д2 Смуга частот МГц 60....100
Коефщент лщсилення Рази, дБ 7,5(17,5)
Фазовий набгг Грд. 115
21 Частота акустичного синхрошзму МГц 78,85
Смуга пропускания по р1вню 0 дБ кГц 493
Втрати дБ 14,3
Фазовий набп Грд. 245
АЗ Вхвдна частота 1 МГц 78,85
Вхщна частота 2 МГц 78,90
Вихщна частота кГц 50
Коефйцент передач! рази 1,2
Гранична частота ФНЧ кГц 100
А4 Вихщна частота (номшальна) кГц 50
Вихщна частота при Р - Ртах КГЦ 75
Вихщна напруга В 1,0
Глибина АРП Рази, дБ 3,1 (10)
Параметри розрахованих вузл1в наведет в табл.3. Контроль тиску здш-снювався зразковим манометром класу 0,15. Температурна нестабшьшсть визначалася в д1апазош В1Д мшус 30 до плюс 60°С. Результата дослщжень ПВМ наведен! на ПАХ в табл.4.
Таблиця 4
№ Параметр Од.вим1ру Значения
1 .Щапазон вгопрюваного тиску кПа 0...100
2 Вихщна частота кГц 50
3 Максимальна дев1ащя вихщно!" частота кГц 25
4 Масштабний коефпдент Гц/кПа 250
4 Вихщна частота генератора Г1 кГц 78830
5 Вихщна частота генератора Г2 кГц 78880
6 Нелшшшсть характеристики % 0,2
7 Температурна нестабшьшсть приведена до вер-хньо! меяа вщ»нрювання % 1,5
Висновки
Отримано математичш вирази, яю. дозволяють визначити основш мет-ролопчш характеристики, розроблена схема та конструкц1я ПМВ на ПАХ мембранного типу, що мае основну похибку вшшрювання ±0,25%. Температурна нестабшьшсть, приведена до верхнын меж! вим1рювання складае ±1,5%, що вимагае температурно1 компенсацп перетворювача. Розробле-ний ПМВ при використанш системи термокомпенсацп та перетворювача частота-струм, який використовуеться для узгодження з лшями зв'язку
16 Шсник Нацюнального технЫного унЫерситету У край! и "КГЦ"
СерЫ - РадютехнЫа. Радюапаратобудувания.-2008.-Л?36
систем керування технолопчними процесами, зможе замшити ¡снуюш датчики застарших тишв, наприклад датчики тиску МИДА-ДИ-01П.
Лггература
1. Дворников A.A., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы на поверхностных акустических волнах. -М.: Радио и связь,1983.-136 с.
2. РечицкийВ.И. Акустоэлектронныерадиокомпонешъ1.М.:Радио и связь,1987.192с.
3. Пщдубний В.О. Вимфювальш перетворювач1 тиску рвдит та газу // 1нформати-зацк TaHOBi технологи. - 1995.- №2. - с.14-16.
4. Башкатов P.C. и др. Разработка и исследование датчиков давления на ПАВ // Материалы конф. «Акустоэлектронные устройства обработки информации». -Черкассы, 1990.-е. 238-239.
5. Функцшнальний перетворювач на ПАХ/ Ван Цзячжен, В.В.Пщдубний, В.О.Пщцубний// Материали 3-ей Междунар. молодежной научно-технической конф. „Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций" (РТ-2007).-Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. -с. 142.__
Ключов! слова: поверхнево-акустичш перетворювач1, перетворювач! мехашчних величин, датчики на поверхнево-акустичних хвилях
Поддубный В.А., Поддубвый В.В. Преобразователь механических величин на поверхнотных акустических волнах Проведен расчет параметров преобразовате-пя механических величин в частотный выходной сигнал. Рассмотрены вопросы деформационной и температурной чувствительности. Приведено результаты исследований. Poddubny V.A., Poddubny V.V. Mechanical Values Transformer on the Surface Acoustic Waves Calculation of parameters of the membrane type mechanical values transformer into the frequency electric signal is rewired. Hie article deals with the issues of deformational and heat sensitivity. Results of research are shown.
УДК 621.391.26
ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ КОРРЕЛИРОВАННЫХ ПОМЕХ
Партала М. О. Жук С.Я.
С использованием метода качмановской фильтрации синтезирован оптимальный алгоритм фильтрации речевых сигналов при наличии коррелированных помех. Получена структурная схема оптимального фильтра. Анализ алгоритма проведен на тестовом речевом сигнале путем моделирования работы фильтра на ЭВМ.
Вступление. Постановка задачи
Задача фильтрации сигналов на фоне белого гауссовского шума получила широкое распространение [1]. В тоже время интерес представляет фильтрация речевых сигналов при. наличии коррелированных помех. Например, окрашенными помехами можно считать шум двигателя, шумы радиоэфира, пр. Поэтому представляет интерес решение задачи оптимальной фильтрации речевых сигналов на фоне таких помех. Кроме того, точностные характеристики оптимального фильтра позволяют оценить потенциально достижимые характеристики синтезированного в [2] адаптивного фильтра речевых сигналов при наличии коррелированных помех со случайной сменой их вероятностных характеристик для различных ситуаций.
Теоретическое обоснование Б I БЛ I ? ^ Т Г Н
Для описания речевого сигнала х(к) также как и в рУйсЬользуеЙя марковская гауссовская модель в виде: М0С(ЙЧУКА В I Т А Л I Я
Вкник Нацюнального техшчного университету УгфаТн »ЛкШ^0 17 Серы - РадЬтехмка. Радюапаратобудування.-2008.-М36
