Классификация акустических датчиков

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

КЛАССИФИКАЦИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
А.Л. Ткачев
Научный руководитель — д.т.н., профессор В.М. Мусалимов
В работе приведена общая классификация акустических датчиков и их технические характеристики. Классификация будет полезна студентам, аспирантам и специалистам при разработке приборов.
Введение
Для изготовления большинства акустических приборов и датчиков используются пьезоэлектрические материалы. Возбуждение и прием акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в этих устройствах происходит с помощью прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта).
Акустические датчики и устройства можно классифицировать по типу используемых волн и по способам применения.
Классификация по типу используемых волн
Классификация акустических датчиков по типу используемых волн приведена в табл. 1.
Класс устройства Датчик Рабочие частоты, МГц
Устройства на объемной акустической волне Пьезоэлектрический резонатор с колебанием по толщине (TSM) 5 50
Датчик горизонтально поляризованных акустических плоских волн (SH-APM)
Устройства на поверхностных волнах Датчик поверхностных акустических волн (SAW) 25 — 500
Датчик горизонтально поляризованных поперечных поверхностных волн (SH-SAW), он же датчик поверхностной сдвиговой волны (STW)
Таблица 1. Классификация по типу используемых волн
Устройства на объемной акустической волне. Резонатор колебания сдвига по толщине обычно состоит из толстой пластины пьезокварца АТ-среза с параллельными круговыми электродами, нанесенными на обе стороны. Результатом приложения напряжения между этими электродами становится сдвиговая деформация пьезокристалла. Это устройство известно как резонатор, потому что пьезокристалл резонирует, когда образуются электромеханические стоячие волны. Смещение достигает предельных значений на грани кристалла, что делает устройство чувствительным к поверхностному взаимодействию. В последнее время была проделана работа по созданию высокочастотных ТБМ резонаторов с использованием пьезоэлектрической пленки и техники объемной микрообработки кремния.
В датчике горизонтально поляризованных акустических плоских волн волна распространяется между верхней и нижней поверхностью пластины, что позволяет проводить измерения на обеих сторонах. Эти устройства используют тонкую пьезоэлектрическую подложку, или пластину, работающую как акустический волновод, который удерживает энергию между верней и нижней поверхностями пластины. В результате обе поверхности подвергаются смещению, так что улавливание может возникнуть на любой стороне. Это
важное преимущество, так как одна сторона содержит встречно-штыревой преобразователь, который необходимо изолировать от электропроводной жидкости или газов, в то время как вторая сторона может быть использована в качестве датчика.
Устройства на поверхностных волнах. Поверхностные волны (волны Рэлея) обладают продольной и вертикальной поперечной компонентой, которая может соединяться со средой при контакте с поверхностью устройства. Такое соединение сильно влияет на амплитуду и скорость волны. Эта черта позволяет датчикам SAW напрямую оценивать массу и механические характеристики. Так как фактически вся энергия волн Рэлея заключена в пределах одной длины волны на поверхности, датчики SAW обладают наибольшей чувствительностью среди всех рассмотренных акустических датчиков.
Одним из недостатков этого устройства является то, что волны Рэлея являются поверхностными нормальными волнами, и поэтому они плохо подходят для измерения жидкостей. Когда датчик SAW вступает в контакт с жидкостью, результирующие волны сжатия вызывают существенное затухание поверхностной волны.
Датчики горизонтально поляризованных поперечных поверхностных волн используют тонкую пьезоэлектрическую подложку или пластину, работающую как акустический волновод, который удерживает энергию между верней и нижней поверхностями пластины. В результате обе поверхности подвергаются смещению, так что улавливание может возникнуть на любой стороне.
Классификация по способам применения
Возможные способы применения акустических датчиков:
• Термодатчики • Датчики удара
• Датчики влажности • Датчики силы
• Подводные сонары • Датчики давления
• Ультразвуковые сканеры • Датчики крутящего момента
• Датчики расстояния • Датчики массы
• Датчики вибраций • Анализаторы газа и жидкостей
Термодатчик. Температурная зависимость некоторых материалов, из которых
изготовляют пьезоэлектрическую подложку, зависит от угла среза и направления распространения волны. Правильным подбором материала, значений угла среза и направлением волны можно минимизировать температурный эффект первого порядка. Если максимизировать этот эффект, то можно сконструировать беспроводной акустический датчик температуры.
Термодатчики на базе генераторов линии запаздывания SAW обладают милли-градусным разрешением, хорошей линейностью и низким запаздыванием. Они к тому же весьма чувствительны к нагрузке массы от собственного веса и поэтому должны быть герметично упакованы. Преимущество термодатчиков также состоит в том, что они не требуют элементов и являются беспроводными, что делает их пригодными для использования в удаленных местах.
Датчики влажности. Если датчик на SAW подвергается температурному контролю и прямому воздействию окружающей среды, то вода будет конденсироваться на нем при температуре конденсации, что делает его эффективным датчиком точки конденсации. Из датчиков акустических волн с упругим гигроскопическим полимерным покрытием получаются отличные датчики влажности. Три рабочих механизма составляют чувствительность датчика: нагрузка от собственной массы, электроакустические эффекты и вязкоэластичные эффекты. Каждый из этих механизмов можно эффективно контролировать и производить дешевый, точный датчик влажности.
Класс датчика Рез. частота, kHz Диапозон измерения Разрешение Чувствительность, ppm/% Погрешность, %
Термодатчики 50 — 120 -200 — 1000, °С нет данных нет данных 0,15 — 0,5
Датчики отн. влажности 50 — 800 0 — 100, % ±0,025, °С 1,4 5
Таблица 2. Характеристики некоторых термодатчиков и датчиков влажности
Подводные сонары и ультразвуковые сканеры. В основе работы этих приборов лежит принцип импульсной локации, реализуемой путем возбуждения пьезоэле-мента акустического датчика электрическим импульсом и посылки за счет этого короткого акустического импульса в виде узкого пучка (луча) энергии ультразвуковой частоты- приема тем же пьезоэлементом датчика отраженных акустических импульсов и обратного преобразования их в электрические сигналы- усилия частотной фильтрации и детектирования эхосигналов с последующей визуализацией их на экране видеомонитора в системе координат «глубина-время» в виде яркостных отметок.
Датчики расстояния. Принцип действия датчиков расстояния основан на использовании метода импульсного зондирования ультразвуком с временной и частотной селекцией, который заключается в сравнении времени прохождения ультразвукового сигнала через рабочий зазор датчика, заполненный контролируемой средой или газом, с выработанным в самом сигнализаторе временным интервалом.
Датчики вибраций и удара. Действие основано на регистрации ультразвуковых волн, возникающих при воздействии на элементы конструкций периметра здания или помещения. Электрический сигнал, пропорциональный уровню вибрации, усиливается и обрабатывается по специальному алгоритму, чтобы отделить разрушающее воздействие от помехового сигнала. Основными характеристиками таких извещателей является чувствительность к вибрации. Используются как пассивные, так и активные ультразвуковые датчики. Пассивные регистрируют ультразвуковые колебания воздуха или другой среды на частотах 18−60 кГц. Активные датчики бывают двух разновидностей. В первой используются элементы конструкций контролируемых объектов. При таком воздействии, как, например, разбивание оконного стекла, нарушается связь передатчика и приемника через стекло и происходит срабатывание датчика. Активные ультразвуковые датчики второго вида регистрируют изменение частоты (излучаемого датчиком сигнала) в контролируемой среде, например, при открывании замка или отпиливании металлической решетки.
Класс датчика Рез. частота, kHz Чувствительность, dB Направленность, deg Раб. темп., °С Дальность, м Разрешение, мм
Подводные сонары Около 200 нет данных 10 — 20 нет данных нет данных —
Ультразвуковые сканеры от 40 63 — 180 30 — 110 -40 — 85 0,2 — 6 около 9
Датчики расстояния 75 — 400 47 — 74 7 — 20 -30 — 70 0,06 — 5 1 — 4
Таблица 3. Характеристики подводных сонаров, ультразвуковых сканеров и датчиков
расстояния
Датчики силы и давления. На скорости SAW сильно влияет напряжение, подаваемое на пьезоэлектрическую подложку, по которой распространяется волна. Таким
образом, датчики силы давления на SAW созданы путем превращения устройства в диафрагму. Частоты SAW изменяется вместе с напряжением. Когда диафрагма прогибается под давлением, датчик SAW изменяет данные на выходе.
Датчики пассивны (не требуют элементов питания), беспроводные, дешевые, выносливые, очень компактные и легкие.
Датчики крутящего момента. Если устройство на SAW неподвижно прикреплено к плоскому месту на валу и вал подвергается крутящему моменту, этот крутящий момент подвергает напряжению датчик и превращает его в беспроводной, пассивный, легковесный датчик крутящего момента. Если вал вращается в одну сторону, тогда датчик находится в состоянии натяжения, при вращении в другом направлении датчик находится в состоянии сжатия. В практическом применении два датчика вращающего момента используются таким образом, что их центральные (осевые) линии находятся под прямым углом друг к другу. Таким образом, когда один датчик находится в состоянии сжатия, другой — в состоянии натяжения. Так как оба датчика находятся при одной температуре, сумма двух сигналов минимизирует любые эффекты ухода параметров под влиянием температуры. Добавление второй SAW эффективно минимизирует температурные колебания датчика давления на SAW.
По сравнению с другими датчиками крутящего момента, включая резистивные датчики сопротивления, оптические преобразователи, торсионы, датчик на SAW является дешевым, обладает высокой надежностью и к тому же беспроводной.
Класс датчика Рез. частота, kHz Диапозон раб. частот, Hz Динамич. диапозон Раб. темп., °С Погрешность, %
Датчики вибраций 5 — 120 0,1 — 4*104 0,1 — 105, м/с2 -50 — 400 до 8
Датчики удара 66 — 180 — нет данных -10 — 50 нет данных
Датчики силы 30 — 200 0,01 — 3*104 0,4 — 104, H -40 — 400 до 2
Датчики давления 30 — 200 0,1 — 2*104 0,05 — 20, мПа 0 — 400 нет данных
Датчики крутящего момента от 6 нет данных 0 — 100, Н*м -60 — 250 ±0,5
Таблица 4. Характеристики некоторых датчиков силы, вибраций, давления и удара
Датчики массы. Датчики на SAW наиболее чувствительны к нагрузке от собственной массы, что можно использовать при создании датчика частиц и датчика толщины пленки. Если датчик покрыт адгезивом, то он становится датчиком частиц: любая частица, попадающая на поверхность, там и остается и изменяет распространение волны. Датчики частиц используются в производственных помещениях, мониторах качества воздуха, и мониторах атмосферы.
Класс датчика Рез. частота, kHz Раб. темп., °С Раб. влажн., % Чувствительность, мг/м3
Датчики массы 15 — 40 нет данных нет данных 0,0003 — 10
Анализаторы газа 40 — 150 5 — 90 0 — 98 нет данных
Таблица 5. Характеристики некоторых датчиков массы и анализаторов газа
Датчик толщины работает в основном по тому же принципу, что и датчик частиц, за исключением того, что на нем нет покрытия. Измеряемый сдвиг частоты пропорцио-
нален массе осажденной пленки, так что датчик получает данные по толщине путем измерения плотности пленки и акустического сопротивления. Наиболее доступные в продаже датчики толщины базируются на TSM резонаторах. Не являясь такими же чувствительными, как датчики на SAW, эти устройства, тем не менее, легки в использовании и обладают достаточной чувствительностью.
Анализаторы газов. Принцип действия большинства датчиков основывается на чувствительности масс-детектора, во взаимодействии с химически избирательным покрытием, которое абсорбирует заданные испарения, что приводит к увеличению нагрузки от собственного веса устройства.
Когда несколько датчиков на SAW, каждый с уникальным химическим специфичным покрытием, размещены в определенном порядке, тогда каждый из них будет давать различный результат при воздействии данного испарения. Программные средства по распознаванию структур допускают разнообразный список легкоиспаряющихся органических соединений, которые могу быть обнаружены и идентифицированы, что образует очень мощный химический анализатор.
Заключение
Датчики на акустических волнах являются универсальными устройствами. Они конкурентоспособны по цене, прочны, очень чувствительны, и надежны, к тому же некоторые из них являются беспроводными и/или не требуют элементов питания. Беспроводные датчики весьма удобны для использования их на движущихся объектах, например, для измерения давления покрышек на машинах или крутящего момента вала. Датчики, которым не требуется энергия, желательны для удаленного наблюдения за химическими испарениями, влажностью и температурой. Другие применения включают измерение силы, ускорения, ударной волны, угловой скорости и расстояний.
В общем случае чувствительность акустических датчиков пропорциональна количеству энергии, которая возникает на пути распространения волны. Датчики объемной акустической волны рассеивают энергию с поверхности через вещество основы на другую поверхность. Распределение энергии минимизирует интенсивность энергии на поверхности, на которой происходит измерение. Датчики SAW наоборот фокусируют энергию на поверхности, что делает их более чувствительными.
Литература
1. Куафье Ф. Взаимодействие робота с внешней средой. М.: Мир, 1985. 286 с.
2. Вардан В., Винной К., Джозе Л. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004. 528 с.
3. Дышко А., Панич А. Пьезоэлектрические датчики уровня жидких сред. // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2003. № 5. С. 47−48.
4. http: //www. roboclub. ru
5. http: //www. pcb. com
6. http: //www. piezoelectric. ru
7. http: //www. murata. com
8. http: //www. platan. ru
9. http: //www. kistler. com

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой