Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах с температурной компенсацией

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для контроля различных физических величин. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах с температурной компенсацией, состоящий из датчика перемещения, содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, а также датчик температуры, который выполнен идентично датчику перемещения, только поверхности, на которых закреплены звукопроводы не перемещаются, а находятся в фиксированном положении, так что расстояние между ВШП равно 200-300 периодов ВШП. ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₁, ВШП температурного датчика включены в цепь обратной связи другого усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₂, причем сигналы от обоих генераторов подаются на устройство, выдающее отношение частот этих генераторов. 1 ил.

 

Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для контроля различных физических величин.

Известен датчик перемещения на ПАВ /1/, содержащий два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенных рабочими поверхностями друг к другу, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₁. При перемещении поверхностей, к которым закреплены звукопроводы относительно друг друга, расстояние между ВШП изменяется. Это приводит к изменению частоты колебаний генератора пропорционально изменению расстояние между ВШП, что позволяет судить о величине перемещения. Недостатком данной конструкции является большая погрешность из-за изменения температуры, так как для эффективного перехода ПАВ с одной поверхности на другую необходимо использовать пьезоэлектрические подложки с большим коэффициентом электромеханической связи для ПАВ, например ниобат лития, в котором ТКЗ равен 80-10^-6 1/град. В этом случае при изменении температуры всего на 1 градус относительный уход частоты генератора составит примерно 10^-4, т.е. относительная точность измерения расстояния не превысит 10^-4, что нельзя признать удовлетворительным.

Уменьшить влияние температуры позволяет датчик перемещения на ПАВ с температурной компенсацией /2/, состоящий из датчика перемещения, содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенных рабочими поверхностями друг к другу, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы, и на них нанесен акустический поглотитель, таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, а также датчик температуры, содержащий пьезоэлектрический звукопровод из того же материала, что и звукопроводы датчика перемещения, на рабочей поверхности которого расположены два ВШП с тем же периодом, что и у ВШП датчика перемещения, и расстояние между которыми равно 200-300 периодов ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₁, ВШП температурного датчика включены в цепь обратной связи другого усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₂, причем сигналы от обоих генераторов подаются на устройство, выдающее отношение частот этих генераторов. В этом случае относительный уход частоты датчика перемещения и температурного датчика оказывается одинаковым. Поэтому отношение частот не должно зависеть от температуры. Однако датчик перемещения состоит из двух подложек, которые не фиксированы относительно друг, а датчик температуры расположен на одном звукопроводе. Поэтому при изменении температуры частота генератора датчика перемещения будет зависеть только от изменения скорости ПАВ из-за температуры, а в датчике температуры частота генератора будет зависеть не только от изменения скорости ПАВ, но и от изменения расстояния между ВШП вследствие линейного расширения звукопровода. Следовательно отношение частот будет зависеть от температуры, что приведет к снижению точности измерения перемещений. Таким образом удается добиться относительной точности измерения порядка 10^-5, хотя заметное изменение частоты генератора наступает и при изменении относительного расстояния между ВШП порядка 10^-7.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения перемещения. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в увеличении точности измерения перемещений.

Это достигается тем, что температурный датчик выполнен идентично датчику перемещения, только поверхности, на которых закреплены звукопроводы, не перемещаются, а находятся в фиксированном положении, так что расстояние между ВШП равно 200-300 периодам ВШП.

На чертеже показана структура датчика перемещения на ПАВ с температурной компенсацией в соответствии с изобретением. На чертеже а показан датчик в развернутом виде, а на чертеже б - сбоку в собранном виде. Датчик перемещения на ПАВ с температурной компенсацией содержит датчик перемещения, состоящий из звукопроводов 1, закрепленных к перемещающимся поверхностям 2. На звукопроводах 1 расположены ВШП 3, а на сполированных концах - акустопоглотители 4. Один ВШП 3 подсоединены к входу, а другой к выходу усилителя 5, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₁. Температурный датчик состоит из звукопроводов 6 с расположенными на их поверхности ВШП 7, которые подключены к усилителю 5, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₂. Звукопроводы закреплены на не перемещающихся относительно друг друга поверхностях 2 и 9. Выходы генераторов соединены с устройством 8, выдающим отношение частот этих генераторов.

Датчик перемещения работает следующим образом. ВШП 3 и ВШП 7 находятся в цепи обратной связи усилителей 5, поэтому начинают генерироваться электрические колебания в датчике перемещения и в температурном датчике на частотах F₁ и F₂ соответственно. Эти частоты будут определяться временем прохождения ПАВ между ВШП 3 и ВШП 7. ПАВ переходят с одного звукопровода на другой, так как ПАВ в пьезоэлектрических звукопроводах сопровождается переменным электрическим полем /3/, амплитуда которого убывает над звукопроводом по экспоненциальному закону (убывает в е раз примерно на длине ПАВ). Поскольку расстояние между звукопроводами 2 (или 6) выбрано не более длины ПАВ, которая равна периоду ВШП, то это переменное поле возбуждает ПАВ в соседнем звукопроводе, т.е. можно сказать, что ПАВ переходит с одного звукопровода на другой и между входом и выходом усилителей 5 образуется положительная обратная связь и возникают электрические колебания. В датчике перемещения поверхности 2 могут перемещаться относительно друг друга, что приводит к изменению расстояния между ВШП 2, а следовательно, и к изменению частоты F₁. В датчике температуры поверхность 2 и поверхность 9 фиксированы относительно друг друга, и частота генерации не изменяется с перемещением поверхностей 2 относительно друг друга. Но частота меняется с изменением температуры. Фиксирующие перемычки подобраны таким образом, чтобы при изменении температуры смещение поверхностей 2 и 9 было бы много меньше, чем изменение расстояния между ВШП 7, если бы они находились на одном звукопроводе. В этом случае как в датчике перемещения, так и в датчике температуры уход частоты с температурой будет обусловлен только изменением скорости ПАВ, т.е. относительный уход частоты с температурой будет одинаков для датчика перемещения и датчика температуры. Тогда отношение частот, которое выдает устройство 8, не будет зависеть от температуры, а только от перемещения, что значительно повысит точность измерения перемещений.

Пример выполнения. Как датчик перемещения, так и датчик температуры состоят их двух пьезоэлектрических звукопроводов из ниобата лития YX/128 среза, на полированной поверхности которых изготовлены однонаправленные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) из алюминиевой пленки, настроенные на частоту 91 МГц. Толщина подложек равна 0,5 мм. Их ширина равна 5 мм, а длина равна 28 мм. Толщина алюминиевой пленки равна 0,3 мкм. ВШП на одной из подложек является зеркальным по отношению к ВШП на другой подложке. Период ВШП (т.е. расстояние между одинаковыми электродами) равен 43 мкм, величина перекрытия электродов равна 2,5 мм. Число электродов в каждом из ВШП равно 55. Расстояние между подложками выбирается равным порядка длины ПАВ, а расстояние между ВШП - 250-300 длин ПАВ. При этом при переходе ПАВ с одной подложки на другую вносится затухание порядка 20 дБ. Это приводит к уменьшению сигнала тройного прохождения (который приводит к искажению фазочастотной характеристики), так как отраженные от ВШП ПАВ при переходе зазора между подложками испытывают затухание в 20 дБ, что приводит к дополнительному подавлению сигнала тройного прохождения в 60 дБ. Скорость ПАВ в ниобате лития равна 3980 м/с, а коэффициент электромеханической равен 0,058, что позволяет ПАВ переходить с одной подложки на другую при величине перекрытия подложек 20 мм и расстоянии между подложками 20-30 мкм. Края подложек сполированы, на них нанесены акустопоглотитель, что показано на чертеже. Это необходимо для уменьшения отражений ПАВ от краев подложки, которые искажают амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики изделия, уменьшая тем самым точность измерения, что недопустимо. Как показали измерения, для получения относительной точности измерения перемещения порядка 10^-5 необходимо подавление паразитных сигналов порядка 80 дБ, что и достигается подбором зазора между подложками и сполировыванием краев подложек. Таким образом удается получить относительную точность измерения порядка 0,3·10^-5.

Список использованных литературных источников

1. A.Gordon, S.Katz. Circuit&system, ink.

2. A.Gordon, S.Katz. Circuit&system, ink.

3. Д.Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1990 г.

Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с температурной компенсацией, состоящий из датчика перемещения, содержащего два пьезоэлектрических звукопровода, расположенных параллельно один над другим и обращенных рабочими поверхностями друг к другу, закрепленных к разным, перемещающимся относительно друг друга поверхностям, образуя зазор, причем на рабочих поверхностях каждого звукопровода расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковым периодом, расстояние между которыми равняется 200-300 периодов ВШП, а края звукопроводов сполированы и на них нанесен акустический поглотитель таким образом, чтобы зазор между поглотителем и подложкой или поглотителем, находящимися над ним, не превышал зазора между звукопроводами, равного 0,5-1 периода ВШП, а также датчик температуры, содержащий пьезоэлектрический звукопровод из того же материала, что и звукопроводы датчика перемещения, на рабочей поверхности которого расположены два ВШП с тем же периодом, что и у ВШП датчика перемещения, и расстояние между которыми равно 200-300 периодов ВШП, ВШП датчика перемещения включен в цепь обратной связи усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₁, ВШП температурного датчика включены в цепь обратной связи другого усилителя, образуя генератор электрических колебаний с частотой F₂, причем сигналы от обоих генераторов подаются на устройство, выдающее отношение частот этих генераторов, отличающийся тем, что температурный датчик выполнен идентично датчику перемещения, только поверхности, на которых закреплены звукопроводы, не перемещаются, а находятся в фиксированном положении, так что расстояние между ВШП равно 200-300 периодов ВШП.