CC BY
5естник АПК
Ставрополья
УДК 629.7.052:531.383
;№ 1(17), 2015
Литвин Д. Б., Шепеть И. П., Бражнев С. М., Панков В. П.
Litvin D. B., Shepet I. P., Brazhnev S. M., Pankov V. P.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОАКСЕЛЕРОМЕТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
COMPARATIVE ANALYSIS OF STATIC CHARACTERISTICS OF PIEZOACCELEROMETERS ON SURFACE ACOUSTIC WAVES
Развитие информационно измерительных и комплексных систем автоматизации и управления подвижными объектами требует постоянного совершенствования датчиков первичной информации, среди которых особое место занимают измерители линейных ускорений - акселерометры. В последнее время наряду с датчиками традиционного исполнения все шире находят применение пьезоэлектрические акселерометры, основу которых составляют пьезопреобразовате-ли на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
В статье представлены выражения выходных сигналов и максимальных ускорений измеряемых ПАВ-акселерометрами. На основании анализа данных выражений проведена оценка статических характеристик ПАВ-акселерометров различных схем построения. Полученные результаты позволяют выполнить предварительный выбор как схемы построения чувствительного элемента датчика, так и примерные его массо-габаритные характеристики, удовлетворяющие требованиям соответствующей области применения датчика.
Ключевые слова: поверхностно-акустические волны, акселерометр, чувствительный элемент, статические характеристики, массо-габаритные параметры.
The development of information and measuring systems of automation and management of moving objects requires constant improvement of the sensors of the primary information, among which a special place is occupied by the measuring linear accelerations - accelerometers. In recent years, along with traditional sensors performance is increasingly find application of piezoelectric accelerometers, which are based on the piezoelectric tranducers on surface acoustic waves (saw).
The article presents obtained by the authors of the expression of the output signals and the maximum acceleration measured surfactant-accelerometers. On the basis of data analysis expressions evaluated the static characteristics of the surfactant-accelerometers of different schemes. The obtained results allow to perform a pre-selection schemes detector element, and estimated its mass-dimensional characteristics that satisfy the requirements of the respective application of the sensor.
Keywords: surface-acoustic wave, the accelerometer sensing element, static characteristics, mass-dimensional parameters.
Литвин Дмитрий Борисович -
кандидат технических наук, доцент кафедры математики
ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» Тел.: (8918)7931486 E-mail: litvin-372@yandex.ru
Шепеть Игорь Петрович -
кандидат технических наук, профессор кафедры информационных технологий и электроники ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» Тел.: (8905) 448-54-03 E-mail: ship.1963@mail.ru
Бражнев Сергей Михайлович -
кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий и электроники ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» Тел.: (8905) 441-70-88 E-mail: brasm@yandex.ru
Панков Владимир Петрович -
кандидат технических наук, доцент кафедры технического сервиса ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» Тел.: (8918) 861-09-36 E-mail: pankovvp61@list.ru
Litvin Dmitry Borisovich -
PhD in Technical Sciences, Docent of Department of Mathematics Stavropol State Agrarian University Tel.: (8918)7931486 E-mail: litvin-372@yandex.ru
Shepet Igor Petrovich -
PhD in Technical Sciences,
professor of Department
of Information Technology
and Electronics Don State Technical University
Tel.: (8905) 448-54-03
E-mail: ship.1963@mail.ru
Brazhnev Sergej Mihaylovich -
PhD in Technical Sciences, Docent
of Department of Information Technology
and Electronics Don State
Technical University
Tel.: (8905) 441-70-88
E-mail: brasm@yandex.ru
Pankov Vladimir Petrovich -
PhD in Technical Sciences,
Docent of Department of Technical Service
Don State Technical University
Tel.: (8918) 861-09-36
E-mail: pankovvp61@list.ru
46
,,„ „„„„, щ ^ Ставрополья
научно-практическии журнал
Развитие информационно измерительных и комплексных систем автоматизации и управления подвижными объектами требует постоянного совершенствования датчиков первичной информации, среди которых особое место занимают измерители линейных ускорений - акселерометры [1-7]. В последнее время наряду с датчиками традиционного исполнения все шире находят применение пьезоэлектрические акселерометры, основу которых составляют пьезопреобразователи на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [8-9]. К достоинствам ПАВ-акселерометров следует отнести планарную структуру, позволяющую упростить конструкцию, возможность при изготовлении применять групповую технологию полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Акселерометры на ПАВ имеют малые габаритные размеры и массу, обладают высокой надежностью и воспроизводимостью параметров [1, 10].
Основным элементом конструкции пьезоак-селерометров на ПАВ являются силочувстви-тельные элементы, представляющие собой совокупность упругого подвеса, инерционной массы и ПАВ-преобразователя в виде линии задержки или резонатора, помещенные в корпус и снабженные необходимой электронной аппаратурой. Упругий элемент, преобразующий инерционное усилие Г, пропорциональное значениям ускорения а и инерционной массы т в перемещение и деформацию, является основой ПАВ-преобразователя акселерометра и определяет основные характеристики датчика: чувствительность, диапазон измеряемых ускорений, точность и быстродействие. В настоящей статье дается сравнительный анализ статических характеристик пьезоакселерометров с различными схемами построения упругих элементов.
Всю совокупность конструкций ПАВ-акселерометров можно разбить на две большие группы, различающиеся взаимной ориентацией оси чувствительности и нормали к плоскости ПАВ-преобразователя [1]. Датчики первичной группы, с осью чувствительности совпадающей с плоскостью ПАВ-преобразователя, имеют низкую чувствительность и не большой диапазон измеряемых ускорений и здесь не рассматривается. Ко второй группе относятся датчики, ось чувствительности которых совпадают с нормалью к плоскости ПАВ-преобразователя. Эта группа, охватывающая в свою очередь многочисленные разновидности схем с изгибом пластин, стержней мембран и др., получила получило большое распространение и заслуживает более детального анализа.
Из множества разновидностей схем построения ПАВ-акселерометров второй группы наиболее целесообразно использовать дифференциальные схемы, как более устойчивые к воздействию температурных и других факторов. Анализ, выполненный в работе [1], показывает, что большинство конструктивных схем постро-
ения упругих элементов ПАВ-акселерометров можно свести к системам с чувствительными элементами в виде симметричной или несимметричной пластины 1 консольного типа (рисунок 1), закрепленной по краям консоли 2 с центральным расположением инерционной массы 3 (рисунок 2) и консоли 4 рамочной конструкции (рисунок 3).
Рисунок 1 - Акселерометр на поверхностных акустических волнах консольного типа
5
Ха_
Рисунок 2 - Акселерометр на поверхностных акустических волнах с центральным расположением инерционной массы
5
Рисунок 3 - Акселерометр на поверхностных акустических волнах с консолью рамочной конструкции
Так-как ПАВ-преобразователи пьезоакселе-рометра представляют собой линию задержки, образуемую с помощью входного 5 и выходного 6 встречно-штыревых преобразователей
в
естник АПК
Ставрополья
: № 1(17), 2015
А ф = 2 т 0 (
А + ХоАУ + + Уо К2-А К2 ' ,
(1)
д ф = 2^°(Лу V
+ Ах + X,
АК
К
(2)
Д ф = 12 К42(1 + 4)а.
(4)
(ВШП), то выходным сигналом дифференциального акселерометра является разность фаз ПАВ, распространяющихся по верхней и нижней сторонам консоли (рисунок 4). Разность фаз Аф обусловлена прежде всего изменением длинны акустического пути за счет прогиба Ау консоли и деформации Ах ее поверхностей, а также за счет изменения АК скорости распространения ПАВ из-за деформации поверхностей и возникающих в ней напряжений [9]. В результате выходной сигнал ПАВ-акселерометра определяется выражением
где ю0- частота акустической синхронизации, принятая равной для всех пар ВШП;
К0 - скорость распространения ПАВ в недефор-мированной среде;
Х0- длина горизонтального пути ПАВ.
Изменение скорости ПАВ из-за деформации по сравнению с У0 мало, поэтому выражение (1) можно преобразовать с достаточно высокой степенью точности к следующему виду:
измерять ускорение 10-6 м/с2 с помощью ПАВ-акселерометра с консольным чувствительным элементом можно только на частотах близких к предельным (1-2 ГГц) и при отношении длины к толщине пластины более десяти. Снижение требования к воспринимаемому ускорению до 10-4 м/с2 позволяет использовать ПАВ на частотах 1-2 МГц, снизить требования к измерению разности фаз до 10-6 и выполнять консоли датчиков с отношением длины к толщине менее десяти.
Максимальное ускорение, измеряемое ПАВ-акселерометрами, можно определить, если предположить, что оно вызывает в упругом элементе датчика максимально допустимое напряжение ад. В этом случае выражение для максимального ускорения, измеряемого пьезо-акселерометром консольного типа, имеет вид
а™1г — "
Нстд
6у4
(5)
Подставляя в это выражение соотношения для прогиба консоли Ау, деформации Ах ее поверхностного слоя с учетом линейной зависимости изменения скорости ПАВ из-за деформации Ах и напряжений а, возникающих в консоли, можно получить зависимость выходного сигнала ПАВ-акселерометров от его массо-габаритных размеров: инерционной массы т, расстояния от центра масс консоли до точки защемления I, ширины Ь и толщины пластины Н. Так для ПАВ-акселерометра с чувствительным элементом в виде консоли равного сопротивления (рисунок 1)получим
12ю0т/ I 1 , . о^ч
Аф = „ (1 + -)а + — (аАх + Рв), К0 ЕЬН Н V
где а, в - коэффициенты пропорциональности; а - ускорение подвижного объекта.
Вводя относительные параметры 4 — /Н ^ = тЬ, 4 = ^/(КЕ) ине учитывая малый последний член, выражение (3) можно записать в удобной для анализа форме
Анализ выражения (4) показывает, что минимальное ускорение, воспринимаемое ПАВ-акселерометром ограниченно не упругими свойствами чувствительного элемента, а разрешающей способностью измерителей разности фаз электрических сигналов и существенно зависит от частоты ПАВ. Так, например,
Анализ выражения (5) показывает, что верхний передел диапазон измеряемых ускорений практически не накладывает ограничений на массо-габаритные характеристики датчика. Так, например, даже при 4 > 10 и у > 4 максимальное ускорение, измеряемое ПАВ-акселерометрами достигает 106 м/с2, что удовлетворяет многие области применения.
Если требуется спроектировать ПАВ-акселерометр с максимальным диапазоном измеряемых ускорений Аа — атах - атт, то этого можно достичь оптимальным выбором параметра Е , при заданных остальных величинах.
Переход к схеме ПАВ-акселерометра с чувствительным элементом в виде консоли, закрепленной с обеих сторон, выходной сигнал которого определяется выражением
Афз —0,75 К(1 — 22 2(1 + + 4 )а,
позволяет в 4 раза увеличить верхний предел измеряемого ускорения
2НСТд
а , —-—.
тк 3у4
Однако при этом существенно снижается уровень минимального ускорения, воспринимаемого датчиком. Так, например, измерять ускорение 10-6 м/с2 и менее с помощью датчика этого типа на низких частотах ПАВ (1-2 МГц) можно при отношении длины к толщине консоли более 100, что на практике не нецелесообразно. Такой чувствительности к малым ускорениям можно достичь только на предельных частотах 1-2 ГГц и при Е > 10 и у > 4. Измерить ускорение 10-4 м/с2 и более с помощью ПАВ-акселерометра с закрепленной консолью можно практически во всем диапазоне частот ПАВ и приемлемых для практики конструктивных параметрах.
Существенного снижения минимального ускорения, воспринимаемого ПАВ-акселеро-
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
Измеритель разности фаз
X
Рисунок 4
метром, можно достичь при построении датчика с чувствительным элементом рамочной конструкции (рисунок 3). Выходной сигнал и максимальное ускорение, измеряемое датчиком такой конструкции, определяется следующими выражениями
4 + 3ц-
1 + 3ц
-)a;
am „ =
2haà 1 + Зц'
Эу^г] 4 + 3ц2
где Ир - толщина плеча рамки, п = .
Характеристики датчика данного типа зависят не только от отношения длины и толщины
Чувстви-
консоли, но и соотношения п =
тельность к ускорению 10-6 м/с2 и менее легко достигается уже на частотах ПАВ 1-2 МГц, значениях Е, около десяти и п = 5...10. На верхнем уровне диапазона частот ПАВ с помощью пье-зоакселерометра данного типа можно измерять ускорения 10-6...10-8 м/с2, что особенно важно для использования их в гравиерциаль-ных системах [11]. Повышенная чувствительность к малым ускорениям ПАВ-акселерометра
Литература:
1. Малов В. В. Пьезорезононсные датчики. 2-е изд., перераб. и доп. М. Энергоато-миздат, 1989. 272 с.
2. Шепеть И. П., Напольский В. П. Метод повышения точности измерения векторных параметров в автономных инерциальных навигационных системах летательных аппаратов // Известия высших учебных заве-
с чувствительным элементом рамочной конструкции объясняется известным эффектом усиления силы, наблюдаемым в этой схеме. Что касается измерения больших ускорений, то здесь следует отметить, что значения максимальных ускорений, измеряемых датчиком данного типа на два порядка ниже значений измеряемых ускорений, с помощью акселерометров ранее рассмотренных конструкций. Однако они могут достигать 104 м/с2 и удовлетворяют многие области применения ПАВ-акселерометров. Диапазон измеряемых ускорений данного типа датчиков зависит как от параметра так и п.
Полученные выражения выходных сигналов и максимальных ускорений измеряемых ПАВ-акселерометрами, носят оценочный характер и вычисленные по ним характеристики требуют уточнения путем математического моделирования с учетом условий применения датчиков, воздействий возмущающих факторов и возможных погрешностей в изготовлении упругих элементов и других элементов акселерометра. Однако они позволяют выполнить предварительный выбор как схемы построения чувствительного элемента датчика, так и примерные его массо-габаритные характеристики, удовлетворяющие требованиям соответствующей области применения датчика.
References:
1. Malov V. V. Piezoresonance sensors. 2nd ed., revised and enlarged extra. M. : Energoatomizdat, 1989. 272 p.
2. Shepet I. P., Napolskij V. P. Method of increasing the accuracy of the measurement vector of parameters in the Autonomous inertial navigation systems aircraft // News of higher educational institutions. The North
6
естник АПК
Ставрополья
: № 1(17), 2015
дений. Северо-Кавказский регион. Серия : Технические науки. 2007. № 5. С. 10-11.
3. Субоптимальное оценивание вектора угловой скорости объекта по измерениям распределенной акселерометрической системы / Д. Б. Литвин, А. Н. Хабаров, И. П. Шепеть, В. Г. Бондарев, Е. В. Озеров // Вестник АПК Ставрополья. 2013. № 3 (11). С.60-63.
4. Шепеть И. П., Варнавский А. А. Дуальное управление по неполной информации в информационно-измерительных системах // НаукаПарк. 2013. № 6 (16). С. 113117.
5. Система контроля условий транспортировки ценных грузов / Д. Б. Литвин, И. П. Ше-петь, С. М. Бражнев, К. А. Протасов, Е. Д. Литвина // Экономические, инновационные и информационные проблемы развития региона : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. (Ставрополь, 15-16 апреля 2014 г) / СтГАУ Ставрополь, 2014. С. 184-186.
6. Разработка условного алгоритма контроля и диагностирования информационно-измерительных систем / И. П. Шепеть, С. М. Бражнев, Д. Б. Литвин, А. Б. Балабанов, Е. Д. Литвина // НаукаПарк. 2014. № 2/2 (22) март-апрель. С. 19-22.
7. Литвин Д. Б., Шепеть И. П. Способ решения дифференциальных уравнений // Аграрная наука, творчество, рост : сб. тр. IV Междунар. науч.-практ. конф. (Ставрополь, 10-14 февраля 2014 г) / СтГАУ. Ставрополь, 2014. С. 232-234.
8. Оценка возможности применения пространственной модуляции погрешностей измерительных элементов в информационно-управляющих системах / И. П. Шепеть, С. М. Бражнев, Д. Б. Литвин, А. Б. Алабанов, Е. Д. Литвина // НаукаПарк. 2014. № 2/2 (22) март - апрель. С. 15-18.
9. Автономная компенсация случайных возмущений в инерциальных навигационных системах / И. П. Шепеть, А. Н. Хабаров, Н. В. Гривенная, Е. М. Сербин, Т. В. Чернави-на // Надежность и качество : тр. междунар. симпозиума / Пенз. гос. ун-т. Пенза, 2014. Т. 2. С. 232-234.
10. А. с. СССР № 1788473, МПК5 G 01Р 15/08. Акселерометр / С. М. Бражнев, В. В. Козин, И. П. Шепеть, В. Д. Кислун ; заявитель и патентообладатель Даугавпилс-ское ВВАИУ ПВО. №4880672/10 ; заявл. 05.11.1990 ; опубл. 15.01.1993, Бюл. № 2. 8 с. : ил.
11. Бражнев С. М., Шепеть И. П. Методика оценки навигационных свойств геофизических полей//Инновационные направления развития в образовании, экономике, технике и технологиях : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. (Ставрополь, 20-21 мая 2014 г.) / ТИС (филиал) ДГТУ. Ставрополь, 2014. С.118-121.
Caucasus region. Series : Technical science. 2007. № 5. P. 10-11.
3. Suboptimal estimation of the angular velocity vector of an object from measurements of a distributed accelerometric system /
D. B. Litvin, A. N. Khabarov, I. P. Shepet, V. G. Bondarev, E. C. Ozerov // Bulletin of agriculture of Stavropol. 2013. № 3 (11). P. 60-63.
4. Shepet I. P., Varnavskiy A. A. Dual control on incomplete information in information-measuring systems // Naukar. 2013. № 6 (16). C. 113-117.
5. The control system of the conditions of transportation of valuable goods / D. B. Litvin, I. P. Shepet, S. M. Brezhnev, K. A. Protasov,
E. D. Litwin // Economic, innovation and information problems of development of the region : Proc. of the Intern. nauch.-practical use. proc. (Stavropol, April 15-16, 2014) / Schau. Stavropol, 2014. C. 184-186.
6. Development of conditional control algorithm and diagnostic information-measuring systems / I. P. Shepet, S. M. Brezhnev, D. B. Litvin, A. B. Balabanov, E. D. Litwina // Naukar. 2014. № 2/2 (22) march-april. P. 1922.
7. Litvin, D. B., Shepet I. P. The method of solving differential equations // Agricultural science, creativity, height : proc. of the IV International. nauch.-practical use. proc. (Stavropol, 10-14 February 2014) / Schau. Stavropol, 2014. C. 232-234.
8. Evaluate the possibility of using spatial modulation errors of the measuring elements in information and control systems / I. P. Shepet, S. M. Brezhnev, D. B. Litvin, A. B. Balabanov, E. D. Litwin // Naukar. 2014. №. 2/2 (22) march-april. P. 15-18.
9. Offline payment of random perturbations in inertial navigation systems / I. P. Shepet, A. N. Khabarov, N. V. Hryvnias, E. M. Serbin, T. V. Chernavina // proceedings of the international Symposium on reliability and quality / Out of Pens. state University. Penza, 2014. Vol. 2. C. 232-234.
10. A. c. USSR № 1788473, MPK G 01R 15/08. Accelerometer / S. M. Brazhnev, V. V. Kozin, I. P. Shepet, C. D. Kislun ; applicant and patentee Daugavpils, military aviation engineers high school defense. №. 4880672/10 ; appl. 05.11.1990 ; publ. 15.01.1993, bull. №. 2. 8 c. : Il.
11. Brazhnev S. M., Shepet I. P. Assessment methodology the navigation properties of geophysical fields // Innovative directions of development in education, economics, engineering and technology : proc. of the Intern. nauch.-practical use. proc. (Stavropol, 20-21 may 2014) / TIS (branch) DSTU. Stavropol, 2014. C. 118-121.
