Приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: приемник содержит основной и дополнительный пьезоэлементы, корпус, выполненный из теплопроводящего материала, например из металла. Основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса как составляющих помехи. Дополнительный пьезоэлемент, идентичный основному, прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса. Оба пьезоэлемента включены параллельно друг другу с встречным направлением знаков поляризации и выполнены из идентичного пьезоматериала. Технический результат: эффективная компенсация помех в сигнале, регистрируемом приемником, обусловленных воздействием на приемник флуктуации температуры водной среды и смещений. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительным устройствам, предназначенным для регистрации низкочастотных колебаний давления в воде, и может быть использовано при проведении исследований по акустике водной среды и регистрации сигналов естественного происхождения, при создании специализированных измерительных устройств, основанных на регистрации низкочастотных колебаний давления в воде, например для охраны объектов со стороны водной среды.

Чувствительные элементы приемников колебаний давления в водной среде выполняют обычно на основе пьезокерамики, обладающей значительной чувствительностью. Однако из-за значительного пироэффекта пьезокерамики такие приемники подвержены влиянию флуктуации температуры в водной среде как помехи, особенно в области низких частот - ниже долей герца и единиц герц. Такие помехи неизменно присутствуют, например, при проведении исследований низкочастотного естественного шума океана [1]. Кроме того, такие приемники, уложенные на дно, чувствуют смещения дна, вызванные микросейсмическим фоном или прохождением по дну колебаний, вызванных движением тяжелого транспорта в ближайших сухопутных областях, и смещения водной среды, вызываемые поверхностным волнением и подводными течениями. Одной из проблем поэтому является создание приемника низкочастотных колебаний давления в водной среде на основе пьезокерамики, свободного от влияния воздействий флуктуации температуры в водной среде и смещений.

Обычно борьбу с влиянием помех на низкочастотном краю спектра регистрируемых колебаний давления ведут, вводя частотную фильтрацию регистрируемых сигналов. Однако введение частотной фильтрации приводит к снижению как уровня помехи, так и полезного сигнала, если помеха находится в той же частотной области что и полезный сигнал.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании приемника колебаний давления в водной среде с простой реализацией и расширенной областью применения, позволяющего эффективно компенсировать присутствие в общем сигнале, регистрируемом приемником, помех, вызванных воздействием на приемник флуктуации температуры и смещений.

Предпосылкой осуществления предложенной компенсации помех являются рассмотренные выше физические процессы, сопровождающие регистрацию низкочастотных колебаний давления, такие как пирочувствительность пьезокерамики и реакция пьезоэлемента не только на колебания давления, но и на смещения.

В основе предлагаемой компенсации помех лежит возможность выделения составляющей помехи в общем сигнале, регистрируемом приемником, и вычитания ее из общего сигнала.

Для решения поставленной задачи предлагается приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде, выполненный на основе пьезокерамических чувствительных элементов, содержащий основной и дополнительный пьезокерамические чувствительные элементы и общий корпус из теплопроводящего материала, при этом основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса, как составляющие помехи, а дополнительный пьезоэлемент прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса, при этом оба пьезоэлемента, основной и дополнительный, включают параллельно друг другу, с встречным направлением знаков поляризации и выполняют из идентичного пьезоматериала.

Наиболее простой вариант схемы, осуществляющей собственно вычитание составляющих помехи, температурной и смещения, из сигнала от основного пьезоэлемента, представлен на фиг.1 и 2, где оба пьезоэлемента, основной и дополнительный, подключают ко входу общего усилителя параллельно друг другу со встречным направлением знаков поляризации (+ и - на фиг.1 и 2).

Каждый из признаков, включенных в формулу изобретения, необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели, то есть в формулу изобретения включены существенные признаки.

Сущность заявленного решения поясняется рисунками:

фиг.1 - предварительный усилитель с включенными на входе пьезоэлементами;

фиг.2 - принцип выполнения приемника;

фиг.3 - сигналы, обусловленные реакцией пьезоэлементов на температурное воздействие;

фиг.4 - сравнение спектров естественного шума озера, регистрируемых приемником с компенсацией помех и при отсутствии компенсации помех.

На фиг.2 показано выполнение приемника, помещенного в водную среду, в соответствии с принципом функционального разделения работы пьезоэлементов, основного и дополнительного. Здесь корпус 1 приемника выполняется из материала с высокой теплопроводностью, например из металла, и содержит воздушную полость 2. Основной пьезоэлемент 3 прикреплен снаружи к корпусу и воспринимает колебания давления из водной среды. Дополнительный пьезоэлемент 4 прикреплен к тому же корпусу со стороны воздушной полости, где он изолируется от воздействия колебаний давления со стороны водной среды. При этом оба пьезоэлемента, как основной так и дополнительный, воспринимают низкочастотные смещения приемника и флуктуации температуры водной среды - основной как основной так и дополнительный, воспринимают низкочастотные смещения приемника и флуктуации температуры водной среды - основной пьезоэлемент непосредственно через воду, а дополнительный пьезоэлемент через теплопроводящий материал корпуса.

В качестве пьезоэлементов наиболее целесообразно использовать пластины из пьезокерамики, позволяющие создать приемлемый тепловой контакт с корпусом приемника и выполнить условие идентичности обоих пьезоэлементов. Кроме того, для компенсации составляющих смещений пластины обоих пьезоэлементов необходимо располагать в корпусе параллельно друг другу, как показано на фиг.2.

В реальных практических условиях основной пьезоэлемент герметизируется со стороны водной среды и защищается от механических повреждений. Приемник также содержит предварительный усилитель сигналов с включенными на входе пьезоэлементами, как показано на фиг.1, с последующей передачей усиленного сигнала с выхода предусилителя по сигнальному кабелю на блок обработки данных.

Предложенный приемник экспериментально апробирован. В экспериментах приемник помещался в емкость с водой и проводилось одновременное наблюдение сигналов на выходе каждого из пьезоэлементов, основного и дополнительного, а также результат вычитания сигналов, обусловленных температурными флуктуациями в воде. С этой целью в емкость добавлялась порция горячей воды. На фиг.3 показана наблюдаемая реакция каждого из пьезоэлементов на температурное воздействие и результат компенсации температурного воздействия за счет встречного по полярности включения обоих пьезоэлементов в приемнике. Здесь 5 и 6 -сигналы температурного воздействия, регистрируемые основным и дополнительным пьезоэлементами и 7 - результат компенсации температурного воздействия в выходном сигнале приемника. Видно, что воздействие вводимой в водную среду температурной неоднородности эффективно компенсируется на выходе приемника.

Дополнительной проверкой эффективности работы предлагаемого приемника послужило его использование для регистрация естественного низкочастотного шума водной среды. С этой целью была проведена регистрация шума в натурных условиях в озере приемником с использованием предлагаемой компенсации помех и, для сравнения, без компенсации. На фиг.4 показаны регистрируемые спектры шума в частотной области до 30 Гц. Здесь 8 - спектр шума, обусловленный совместным воздействием на основной пьезоэлемент колебаний давления, флуктуации температуры водной среды и смещений, 9 - выделенная из общего шума составляющая, обусловленная колебаниями давления в водной среде и ее спектр. Видно, что использование приемника с предлагаемой компенсации помех позволяет подавлять в регистрируемом сигнале составляющие, вызываемые температурными флуктуациями водной среды и смещениями дна и таким образом выявлять составляющую естественного шума водной среды, обнаруживать в регистрируемом шуме составляющие разной физической природы, что важно при проведении научных исследований и при создании регистрирующей аппаратуры.

Техническим результатом настоящего изобретения является эффективная компенсация помех в сигнале, регистрируемом приемником колебаний давления в водной среде, обусловленных воздействием на приемник флуктуации температуры водной среды и смещений.

Источники информации

1. И.Ф. Кадыков. Подводный, низкочастотный акустический шум океана. М.: Эдиториал УРСС, 1999. с.33.

Приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде, выполненный на основе пьезокерамических чувствительных элементов, содержит основной и дополнительный пьезокерамические чувствительные элементы и общий корпус из теплопроводящего материала, отличающийся тем, что основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса, как составляющих помехи, а дополнительный пьезоэлемент прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса, при этом оба пьезоэлемента, основной и дополнительный, включают параллельно друг другу, с встречным направлением знаков поляризации и выполняют из идентичного пьезоматериала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптическим проекционным системам; а более конкретно к периодической структуре из М x N тонкопленочных связанных с приводом зеркал для использования в такой системе и способ ее изготовления.

Изобретение относится к области датчиков, в которых используются устройства на полевых транзисторах. .

Изобретение относится к микроэлектронике, а точнее магнитоуправляемым интегральным схемам и может быть применено для создания ячеек памяти и в сенсорных устройствах управления.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам изготовления пьезоэлектрических датчиков давления. .

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения механических величин и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения как постоянного давления, так и динамического давления. .

Изобретение относится к области технологии приборостроения и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения медленно нарастающих давлений.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления с частотным выходом, и может быть использовано в медицине для измерения давления пульсовой волны (динамического давления).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин, например температуры, давления, деформации.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов сложных технических систем топливоэнергетического комплекса, АЭС, автомобильного и железнодорожного транспорта и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к электроакустическим сенсорам, способным работать в среде с высоким давлением. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям давления, усилий, ускорений и других механических параметров на основе резонаторов, выполненных из кристаллического материала, в частности кристаллического кварца.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред. .

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением динамических давлений. Пьезоэлектрический датчик давления содержит корпус с мембраной, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлементов, токосъемника, расположенного между пьезоэлементами, и основания. Чувствительный элемент закрыт тонкостенным стаканом, который поджат к основанию датчика с усилием, равным суммарному усилию от максимально возможного воздействия на мембрану статического и динамического давлений. Размеры стакана определены согласно математическому выражению: h = ( 0,16 ÷ 0,3 ) D 2 , где h - высота стакана; D - внешний диаметр стакана. Дно стакана выполнено толщиной, обусловленной исключением прогиба мембраны в центральной ее части. Техническим результатом является повышение точности измерений, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к нанотехнологическим изделиям измерительной техники, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля процессов сложных технических систем. Датчик давления содержит корпус, мембрану и сенсорный элемент, размещенный в герметичной полости с возможностью его продольного сжатия и имеющий омические контакты. В качестве сенсорного элемента используется наполняющий герметичную полость мелкодисперсный порошок, содержащий не менее 70 масс.% фуллероидных наноструктур. Мембрана и корпус электрически изолированы друг относительно друга и используются в качестве выходных омических контактов. В качестве фуллероидных структур используются астралены с молярной массой более 2000 г/моль или фуллерены Сn с n≥6. Герметичная полость дополнительно заполнена водородом. Технический результат заключается в повышении чувствительности и механической устойчивости работы датчика, обеспечении стабильности функции преобразования датчика и воспроизводимости результатов измерений при высоких давлениях в условиях низких температур и воздействии импульсных нагрузок. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления. Эти устройства работают посредством считывания изменения электрической емкости, вызываемого отклонением мембраны (32), содержащей один из пары электродов в устройстве, из-за ультразвукового воздействия или давления, приложенного к мембране. Устройство CMUT может быть восприимчивым к воздействиям изменения температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к области приборостроения. Оно может быть использовано в датчиках перемещений в системах навигации, автоматического управления и стабилизации подвижных объектов. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных характеристик, а также увеличении разрешающей способности. Технический результат достигается благодаря тому, что микроэлектромеханический датчик микроперемещений с магнитным полем содержит консоль 1, сформированную в кремниевом кристалле 2 с образованием зазора 3, магниточувствительный элемент 4 и постоянный магнит 5. При этом поверхность кристалла 1 покрыта изолирующим слоем 6. На поверхности изолирующего слоя 6, по меньшей мере, на части консоли 1 и, по меньшей мере, на части поверхности кристалла 1, включая край зазора 3, противолежащий концу консоли 1, на изолирующем слое размещен магнитопровод 7 из пленки магнитомягкого материала. Постоянный магнит 5 размещен на магнитопроводе 7. Магниточувствительный элемент 4 размещен в области изменения магнитного поля, формируемого постоянным магнитом 5, при перемещении консоли 1. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе. Технический результат: повышение надежности и временной стабильности интегрального микромеханического реле. Сущность: способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем (7), осуществляется на поверхности кремниевых пластин в едином технологическом цикле при технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем. Для этого формируют на поверхности кремниевой подложки (1) диэлектрический слой (2) из пленки SiO2 методом термического окисления; напыляют токопроводящий слой TiN (3) и формируют неподвижный электрод методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии. Осаждают слой Si3N4 методом CVD с подготовкой его в качестве жертвенного слоя с последующим плазменным травлением. Напыляют первый токопроводящий слой TiN (4), осаждают диэлектрический слой SiC (5) с высокими упругими свойствами методом магнетронного напыления Напыляют второй токопроводящий слой TiN (6). Осаждают пьезоэлектрический слой ЦТС (7). Напыляют третий токопроводящий слой TiN (8). Затем проводят плазмохимическое травление слоев: третьего токопроводящего слоя TiN (8), пьезоэлектрического слоя ЦТС (7), второго токопроводящего слоя TiN (6), диэлектрического слоя SiC (5) с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN (4) с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя Si3N4. Травление жертвенного слоя Si3N4 проводят с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами. 1 ил.
Наверх