Измерительные преобразователи, основанные на использовании поверхностных акустических волн

Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устрой­ствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей.

Известно несколько видов ПАВ, наиболее часто на практике применяют волны Релея. Смещение частиц твердого тела при распространении волны Релея в напра­влении оси Х иллюстрируется рис. 2-22, а. Как видно из рис. 2-22, а, волны распро­страняются вблизи границы твердого тела и затухают почти полностью на расстоя­нии z от поверхности, примерно равном длине волны . Одной из основных причин возрастающего интереса к ПАВ является именно сосредоточенность энергии в тонком слое, так как благодаря этому к технологии изготовления ПАВ-элемента предъ­является лишь одно требование – тщательная обработка рабочей поверхности, по которой распространяется акустическая волна.

Для возбуждения ПАВ на поверхность пьезоэлемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 2-22, б), представляющие собой встречно-штыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг l₀ = . При подключении напряжения к электродам ВШП под ними вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны. Если при этом длина волны совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия ПАВ достигает максимума; если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается и при определенном соотношении между  и l₀ волна за пределами ВШП может пол­ностью погаситься.

Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного и выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные на расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки  равно времени прохож­дения акустической волны между ВШП, т. е.

 = L/,

где  = – скорость распространения ПАВ; E_ij – константа уп­ругости;  – плотность материала.

В кварце Y-среза скорость распростра­нения ПАВ равна = 3159 м/с; таким образом, при L = 10 мм время задержки со­ставляет около 3 мкс. Длина волны  определяется скоростью распространения  и частотой возбуждения волн и составляет = /f. Современная технология обеспечивает возможности создания ВШП с ша­гом до l₀ = 10 мкм; таким образом, рабочие частоты ПАВ могут лежать в диапазо­не до 300 МГц.

Рис. 2-22

ПАВ-структура может быть использована в качестве частотозадающего элемента автогенератора (рис. 2-22, в); при этом, как следует из условия баланса фаз (фазовыми сдвигами в электрических цепях пренебрегаем), на длине L должно укладываться целое число волн. Фазочастотная характеристика линии задержки опре­деляется как  ()= –. Значение эквивалентной добротности определяется формулой:

и составляет Q_экв= ₀L/(2).

Длина L ограничена размерами ПАВ-структуры и затуханием энергии ПАВ и не превышает L = 500 ; таким образом, добротность равна Q_экв 10³.

Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних фак­торов используется в измерительных преобразователях с частотным выходом. При изменении  относительное изменение частоты генератора составляет

/₀=–/₀.

Изменение времени задержки  = L/ определяется изменением длины L и фазовой скорости  и равно

/= LIL–Е_ij/(2E_ij) + /(2).

Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ-структуры, под воздействием температуры, при нагружении поверхности тонкими пленками (толщина пленки h' < 0,1 ), при изменении зазора  между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном ( < 1). Соот­ветственно на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для изме­рения механических величин (/–до 1%), температуры (/–до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследо­вания параметров тонких пленок (/–до 10%). При бесконтактной системе возбуждения ПАВ-преобразователи могут быть использованы также для измерения перемещения объекта, вызывающего пе­ремещение одного из ВШП и приводящего к изме­нению L.

Рис. 2-23

Возможности построения на ПАВ-структурах преобразователей для измерения механических ве­личин подробно исследованы в МИФИ В.М. Макаровым и В.В. Маловым, ими же разработан ряд преобразователей для измерения сил, давлений и ускорений. Схематическая конструкция акселеро­метра на ПАВ-структуре показана на рис. 2-23. На консольной балке 2 закреплена инерционная масса 3. Балка выполнена из кварца, и на верхней поверхности балки методами планарной технологии нанесены ВШП с числом электродов N_возб= 150 и N_прием=50. На пластине 1 размещены электронные элементы измерительной цепи. Собственная частота балки f₀  750 Гц, чувствительность акселерометра S  0,1 (кГц·с²)/м, предел измерения до 350 м/с², погрешность   0,5%.

2.4. Электростатические преобразователи

Принцип действия и область применения электростатических преобразователей. Использование в вольтметрах и датчиках уравновешивания. Емкостные преобразователи. Измерительные цепи емкостных преобразователей

Простейший электростатический (ЭС) преобразователь содержит два электрода площадью S, параллельно расположенных на расстоя­нии  в среде с диэлектрической проницаемостью .

С электрической стороны преобразователь характеризуется напря­жением U между пластинами, зарядом q=CU, где С– ёмкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин С = S/ (без учета краевого эффекта), током i = dq/dt, энергией электриче­ского поля W_Э=qU/2=CU²/2. Если одна из пластин (или диэлек­трик между ними) имеет возможность перемещаться, то с механиче­ской стороны преобразователь характеризуется жесткостью подвеса подвижной пластины w, перемещением ее х, скоростью перемещения =dx/dt и электростатической силой притяжения f_эс= dW_э/dx[1].

Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразова­теля отражается уравнениями:

dF=wx+E₀C₀u; dq=E₀C₀x+C₀u.

Эквивалентная схема ЭС преобразователя, схематическая конструкция которого показана на рис. 2-24, а, приведена на рис. 2-24, б. В эквивалентной схеме учитываются емкость С₀ между электродами 1 и 2, сопротивление R_ут изоляции между электродами, сопротивление r и индуктивность L кабеля К и его заземленным экраном Э.

Влияние отдельных элементов схемы учитывается в зависимости от конкретных обстоятельств. Так, при работе на низкой частоте сопротивление конденсатора велико и влияние индуктивности и сопротивления ввода не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление конденсатора падает и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода, в то время как шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться. В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя (рис. 2-24, в), где r_экв=r и С_экв=С₀+С_п. Влияние сопротивления утечки может быть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении r_экв=r+1/(²C²_эквR_ут). Действие индуктивности токоподводов начинает сказываться обычно на частотах свыше 10 МГц.

В эквивалентной схеме ЭС преобразователя с диэлектриком должны быть учтены потери в последнем. Из-за потерь в ЭС преобразователе сдвиг фаз между напряжением и током оказывается меньше /2 на угол потерь . Последовательная и параллельная схемы, учитывающие потери в диэлектрике, представлены на рис. 2-27, г. Эквивалентные сопротивления для этих схем выражают часто через приводимый в справочных данных тангенс угла потерь  как r_1экв=tg/(C_1экв) или R_2экв=1/(_2эквtg). Емкости С_1экв и С_2экв связаны между собой зависимостью С_2экв=С_1экв/(1+tg), и, так как обычно tg<<1, их можно считать приблизительно равными: С_1эквС_2эквС_экв. В образцовых воздушных конденсаторах tg не превышает 5·10^-5, так как определяется только потерями в изоляции между электродами и в материале электродов.

В конденсаторах с диэлектриком угол потерь значительно больше и, кроме того, может зависеть от напряжения на конденсаторе, частоты, температуры и влажности. В частности, зависимость от влаж­ности настолько существенна, что на этом принципе строятся изме­рители влажности зерна и некоторых других сыпучих материалов.

В некоторых случаях при наличии диэлектрика между электро­дами преобразователя приходится считаться с тем, что после поля­ризации диэлектрики еще в течение какого-то времени (0,1–2 с) сохраняют заряд (абсорбция), что приводит к остаточным напряже­ниям, достигающим нескольких процентов от значения приложенного напряжения. Влияние абсорбции в эквивалентной схеме конденсатора в первом приближении можно учесть включением параллельно емкости С₀ цепочки, состоящей из емкости С_а, и сопротивления R_а. Поэтому полная эквивалентная схема ЭС преобразователя может быть представлена в виде рис. 2-24, д.

Рис. 2-24

При работе ЭС преобразователей на постоянном токе нужно учи­тывать существующую между электродами контактную разность по­тенциалов (КРП), включаемую в эквивалентной схеме последовательно с емкостью. КРП зависит от природы материалов, свойств и чистоты поверхности и существует даже между электродами, выполненными из одного и того же материала. Так, между электродами, выполнен­ными из алюминия высокой чистоты, КРП может достигать 1 В. Лишь применение специальных мер позволяет снизить КРП до зна­чения 10— 20 мВ.

Допустимое напряжение на конденсаторе определяется значением напряженности, при которой наступает пробой воздушного промежутка. Для воздуха при нормальном давлении и зазорах между пластинами 0,1–10 мм эта напряженность составляет 2–3 кВ/мм. При зазорах, меньше 0,1 мм можно не снижать напряжения, так как при напря­жениях, меньше 350 В воздушный промежуток вообще не пробива­ется независимо от длины зазора.

В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В оди­нарном преобразователе при диаметре пластины d = 25 мм, зазоре  = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической силы достигает f_эс =U²S/(2)² = 6·10^-4 Н.

В дифференциальном преобразователе с переменным зазором (см. рис. 2-24, д), силы, действующие между парами пластин, направ­лены встречно и компенсируют друг друга. Однако полная компен­сация возможна только, если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шун­тируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора вызывает пропорциональное уменьшение или увеличение напряжения между соответствующими пластинами; сила, действующая между ними, оста­ется неизменной, т.е. разность сил равна нулю независимо от пере­мещения средней пластины.

Зависимость емкости от внешних условий. Относительное изме­нение емкости С=S/ определяется как _C=_+_S–_. Пло­щадь S, как правило, определяется линейными размерами, составляющи­ми 10 – 100 мм, и изменение этих раз­меров на 0,1–1 мкм вызывает пре­небрежимо малое изменение площа­ди S и емкости С.

Зазор  в ЭС преобразователях составляет 10 мкм – 1 мм, и его изменения даже на 0,1 мкм могут вызвать существенную погрешность. Поэтому при конструировании ЭС преобразователей должны быть тщательно продуманы вопросы крепления электродов и защиты от выпадения на рабочих плоскостях электродов каких-либо осадков (герметизация, вакуумирование и т.д.). Одной из основных причин изменения зазора является изменение геометрических размеров, вызываемых линейным расширением материалов под действием тем­пературы.

Диэлектрическая проницаемость воздуха весьма стабильна и мало меняется под действием внешних условий: при изменении темпера­туры на 10 °С _ = 0,002%, при изменении влажности от 30 до 40% _=0,01%, при изменении давления на 10⁵ Н/м² _ = 0,06%. Стабильными диэлектриками являются также плавленый кварц (_= 5·10^-6 K^-1) и стекло.

Диэлектрическая проницаемость ряда керамик, в особенности сегнетокерамик, наоборот, сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления. На основе сегнетокерамических мате­риалов выпускаются различные типы варикондов — переменных конденсаторов с не­линейной зависимостью емкости от приложенного напряжения, используемых в схемах допускового контроля напряжения, а также сегнетокерамические преобра­зователи реле контроля температуры. Достоинства сегнетокерамических преобразо­вателей – малое потребление мощности (сопротивление между электродами на по­стоянном токе 10⁸–10⁹ Ом) и, следовательно, малый самонагрев. Недостатками, мешающими их широкому использованию в измерительных цепях, являются плохая воспроизводимость характеристик у различных образцов и критичность к влиянию внешних факторов. Например, характеристики варикондов зависят от температуры, а температурные характеристики реле контроля температуры зависят от напряженности поля.