Пассивный датчик температуры на поверхностных акустических волнах



Пассивный датчик температуры на поверхностных акустических волнах
Пассивный датчик температуры на поверхностных акустических волнах

 


Владельцы патента RU 2585487:

Федеральное государственное унитарное предприятие Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт радио (ФГУП НИИР) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного контроля температуры. Заявлен датчик температуры на поверхностных акустических волнах, содержащий герметичный корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) порядка 10-4 1/градус. На рабочей поверхности расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковой центральной частотой f0, один из которых нагружен на приемо-передающую антенну, а другой ВШП является отражательным. Введен еще один пьезоэлектрический звукопровод с малым ТКЗ, в 50-100 раз меньшим по сравнению с ТКЗ порядка 10-4 1/градус, на котором расположены также два ВШП с той же центральной частотой f0, один из которых соединен электрически с приемо-передающей антенной параллельно с ВШП, расположенным на звукопроводе с большим ТКЗ, а другой ВШП - отражательный. Расстояние между центрами этих ВШП подбираются таким образом, чтобы задержка отраженного сигнала на пьезоэлектрическом звукопроводе с малым ТКЗ и на звукопроводе с большим ТКЗ при комнатной температуре были бы одинаковыми, либо отличались на величину 1/(4f0), а соответствующие ВШП, расположенные на разных пьезоэлектрических звукопроводах, должны иметь одинаковую полосу пропускания. Технический результат - повышение точности измерения температуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля температуры.

Известен датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и акустопоглотитель на торцах. В одном из датчиков звукопровод с ВШП на рабочей поверхности представляет собой линию задержки, которая включается в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от температуры или от величины деформации звукопровода (В.В. Малов. Пьезорезонансные датчики, М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 215) [1]. Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое и осуществляет дистанционный контроль.

Недостатком является то, что датчику необходим источник питания, который следует периодически менять и который может отказать, например разрядиться в непредусмотренное для этого время, что снижает надежность датчика. Кроме того, наличие в усилителе полупроводниковых элементов может привести к выходу его из строя при наличии ионизирующего излучения, что также понижает надежность датчика.

Известен пассивный датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в котором корпус выполнен герметичным, содержащим пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП), один из которых является однонаправленным и нагружен на приемо-передающую антенну, расположенную вне герметичного корпуса, а другой ВШП выполнен с расщепленными штырями и нагружен на импеданс, значение которого зависит от температуры. При этом коэффициент отражения от отражательного ВШП зависит от величины импеданса, следовательно, коэффициент отражения также зависит от температуры (RU 2387051, МПК H01L 41/107, G01D 5/12) [2]. Опрос датчика производится с помощью считывателя, посылающего опрашивающий электромагнитный импульс, который принимается антенной датчика и преобразуется в поверхностные акустические волны (ПАВ). ПАВ, отражаясь от отражательного ВШП, принимаются приемо-передающим преобразователем и снова преобразуются в электромагнитный сигнал, который принимается приемником считывателя. Величина этого сигнала зависит от коэффициента отражения, который в свою очередь зависит от величины импеданса, нагруженного на отражательный ВШП. Таким образом, по величине отраженного от датчика импульса определяют измеряемую температуру.

Недостатком данной конструкции является низкая точность определения температуры из-за того, что для заметного изменения коэффициента отражения ПАВ внешняя нагрузка должна измениться на 5-10%.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании датчика на ПАВ, лишенного указанного недостатка.

Технический результат заключается в повышении точности измерения температуры за счет введения еще одного звукопровода, выполненного из материала с малым ТКЗ, и на котором расположены ВШП.

Это достигается тем, что в датчике температуры на поверхностных акустических волнах, содержащем герметичный корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) порядка 10-4 1/градус, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с одинаковой центральной частотой f0, один из которых нагружен на приемо-передающую антенну, а другой ВШП является отражательным, введен еще один пьезоэлектрический звукопровод с малым ТКЗ в 50-100 раз меньшим по сравнению с ТКЗ порядка 10-4 1/градус, на котором расположены также два ВШП с той же центральной частотой f0, один из которых соединен электрически с приемо-передающей антенной параллельно с ВШП, расположенным на звукопроводе с большим ТКЗ, а другой ВШП - отражательный, причем расстояние между центрами этих ВШП подбираются таким образом, чтобы задержка отраженного сигнала на пьезоэлектрическом звукопроводе с малым ТКЗ и на звукопроводе с большим ТКЗ при комнатной температуре были бы одинаковыми либо отличались на величину 1/(4f0), а соответствующие ВШП, расположенные на разных пьезоэлектрических звукопроводах, должны иметь одинаковую полосу пропускания.

На фиг. 1 показана топология датчика на ПАВ. Верхняя крышка условно не показана.

Датчик содержит герметичный корпус 1, в котором расположены пьезоэлектрический звукопровод 2 с большим ТКЗ и пьезоэлектрический звукопровод 3 из материала с малым ТКЗ. На пьезоэлектрическом звукопроводе 3, например из ниобата лития, расположены приемо-передающий ВШП 4, подсоединенный к антенне 5, и отражательный ВШП 6. На пьезоэлектрическом звукопроводе 3, например, из ниобата лития, расположены приемо-передающий ВШП 7, подсоединенный к антенне 5, и отражательный ВШП 8. Все ВШП имеют одинаковую полосу пропускания и выполнены, например, однонаправленными с внутренними отражателями. Датчик работает следующим образом. При подаче на приемо-предающую антенну 5 опрашивающего электромагнитного радиоимпульса он с помощью ВШП 4 и 7 преобразуется в импульсы ПАВ, которые отражаются от ВШП 6 и 8. Отраженный импульс ПАВ преобразуется в электромагнитный импульс, который излучается антенной 5. Так как отражательные ВШП 6 и 8 не нагружены, то падающие на них ПАВ почти полностью отразятся, поскольку отражательный ВШП в режиме холостого хода (отсутствие нагрузки) отражает обратно все падающие на него ПАВ.

Расстояние между центрами ВШП (l1 и l2, фиг. 1) подбираются таким образом, чтобы задержка отраженного сигнала на звукопроводе с нулевым ТКЗ, например, из кварца ST-среза, и на звукопроводе из ниобата лития были либо одинаковыми, либо отличались на величину 1/4f0 при комнатной температуре, например 20°С. При этой температуре ТКЗ ниобата лития YX/128° равен 80·10-61/град, а у кварца ST-среза равен 0 и ТКЗ пьезоэлектрического звукопровода из ниобата лития в 50-100 раз больше ТКЗ пьезоэлектрического звукопровода из кварца при других температурах. Пусть амплитуда ПАВ, отраженная от отражательного ВШП в пьезоэлектрическом звукопроводе с большим ТКЗ, равна А1, а в пьезоэлектрическом звукопроводе с малым ТКЗ равна A2. Пусть также фазы отражения ПАВ от отражательных ВШП в разных пьезоэлектрических звукопроводах одинаковы. Тогда амплитуда выходного сигнала на антенне, подсоединенной к приемо-передающим ВШП, расположенным на разных звукопроводах и соединенным параллельно, будет пропорциональна сумме амплитуд ПАВ, распространяющихся в разных пьезоэлектрических звукопроводах:

Положим, что А12=A0, тогда

Тогда суммарная амплитуда ПАВ на приемо-передающем ВШП равна A0cos[πf012)], где τ=l/VПАВ - задержка отраженного импульса в подложке, VПАВ - скорость ПАВ, l - расстояние между центрами приемо-передающего и отражательного ВШП, где τ0 - задержка сигнала при температуре 20°С, τt - задержка сигнала при произвольной температуре. Учитывая, что τt0[1+α(t-20)], получаем, что амплитуда сигнала равна A0cos[2πf0τ0α(t-20)]. Тогда при, например, f0=860 МГц, τ0=1 мкс, α=80·10-61/град и (t-20)=1°, получаем 2πf0τ0α(t-20)=0,1376π. Косинус равен нулю, когда его аргумент равен π/2, т.е. при отличии температуры от 20°С на величину Δt, Δt=π/2/0,1376π=3,63 град. Таким образом, получается, что если при некоторой температуре (в данном случае при 20°С) отраженные импульсы на разных подложках придут на приемо-передающие ВШП в фазе, то при изменении температуры на 3,63 градуса эти импульсы придут на приемо-передающие ВШП в противофазе, и наоборот, если при некоторой температуре импульсы на подложках придут в противофазе (задержка τt отличается на величину 1/(4f0)), то при изменении температуры на 3,63 градуса эти импульсы придут на приемо-передающие ВШП в фазе. Это означает, что амплитуда отраженного от такого датчика импульса будет либо много меньше амплитуды опорного импульса, либо сравнима с ней. Опорный импульс это радиоимпульс, отраженный от датчика, несущая частота f которого подбирается таким образом, что импульс имеет максимальную амплитуду при измеряемой температуре. Точность измерения температуры сводится к точности измерения амплитуд опорного и информационного импульсов и точности их сравнения. Информационный импульс - это импульс отраженный от датчика. При проведении измерений относительной амплитуды с точностью до 1%, в среднем на интервале измерения температур в 3,63 градуса точность измерения обеспечивается точностью измерения также порядка 1%, т.е. примерно 0,04 градуса.

Несущую частоту и задержку подбирают таким образом, что при некоторой известной температуре амплитуда отраженного от датчика информационного импульса была бы, например, в 100 раз меньше амплитуды опорного импульса. Тогда по мере изменения температуры амплитуда импульса будет возрастать и через 3,63 градуса она достигнет максимума; и амплитуда опорного и информационного импульсов сравняется. Зная температуру, амплитуду опорного и информационного импульсов и калибровочную кривую, компьютер определяет температуру.

Пример выполнения. Датчик содержит герметичный корпус, в котором расположены пьезоэлектрический звукопровод из YX-среза с большим ТКЗ ниобата лития и второй пьезоэлектрический звукопровод с малым ТКЗ из ST-среза кварца. ТКЗ первого звукопровода равен 80·106 1/град, а ТКЗ второго звукопровода равен нулю 1/град (в районе 20°С). На пьезоэлектрическом звукопроводе из кварца расположены однонаправленные ВШП, содержащие по 300 внутренних отражателей, а на звукопроводе из ниобата лития расположены прореженные однонаправленные ВШП, содержащие по 25 внутренних отражателей, причем длина прореженных и непрореженных ВШП одинакова, а, следовательно, одинаковы их полосы пропускания. Апертура ВШП равна 80 длин ПАВ на центральной частоте ВШП. Центральная частота f0 равна 860 МГц. Приемо-передающие ВШП, расположенные на разных подложках, электрически параллельно соединены и подсоединены к приемо-передающей антенне. Датчик настроен таким образом, что при 20°С коэффициент отражения от датчика максимален (опорный импульс), а при изменении температуры на 3,6° уменьшается в 10 раз (на 20 дБ) или на 10% при изменении температуры на 0,36°. Таким образом, чувствительность датчика значительно повышается по сравнению с прототипом, так как заметное изменение амплитуды отраженного импульса происходит при изменении температуры не на 1-2 градуса, а на 3-4 десятых долей градуса.

Источники информации

1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 215.

2. Патент RU 2387051, МПК H01L 41/107, G01D 5/12, 20.04.2010 г.

1. Пассивный датчик температуры на поверхностных акустических волнах, содержащий герметичный корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки порядка 10-4 1/ градус, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревые преобразователи с одинаковой центральной частотой ƒ0, один из которых нагружен на приемо-передающую антенну, расположенную вне герметичного корпуса, а другой встречно-штыревой преобразователь является отражательным, отличающийся тем, что в него введен еще один пьезоэлектрический звукопровод с малым температурным коэффициентом задержки, в 50-100 раз меньшим по сравнению с температурным коэффициентом задержки порядка 10-4 1/ градус, на котором расположены также два встречно-штыревых преобразователя с той же центральной частотой ƒ0, один из которых соединен электрически с приемо-передающей антенной параллельно с встречно-штыревым преобразователем, расположенным на звукопроводе с большим температурным коэффициентом задержки, а другой встречно-штыревой преобразователь - отражательный, причем расстояние между центрами встречно-штыревых преобразователей подбираются таким образом, чтобы задержка отраженного сигнала на пьезоэлектрическом звукопроводе с малым температурным коэффициентом задержки и на звукопроводе с большим температурным коэффициентом задержки были либо одинаковыми, либо отличались при комнатной температуре на величину 1/(4ƒ0), а встречно-штыревые преобразователи, расположенные на разных пьезоэлектрических звукопроводах, выполнены однонаправленными с внутренними отражателями и имеют одинаковую полосу пропускания.

2. Пассивный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки изготовлен из YX/128° - среза кристалла ниобата лития.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах. Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров заключается в использовании полимеров в виде волокон (1), которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к пьезоэлектрическому генератору достаточной мощности в виде прозрачной полимерной пьезопленки, которая может быть встроена в экран мобильного устройства и подзаряжать аккумулятор во время эксплуатации мобильного устройства при касании экрана.

Использование: для неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния конструкционного материала. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой пьезопреобразователь содержит корпус с нанесенным на его внутреннюю поверхность демпфирующим слоем и расположенную в корпусе призму, демпфер, соединенный с корпусом, и соединенный с демпфером пьезоэлемент, установленный на призме, при этом в основании призмы дополнительно установлены плоскопараллельные прямоугольные металлические пластины с прокладками между ними, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду, а размеры плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин выбирают исходя из определенных условий.

Изобретение относится к пьезоэлектронике. Сущность: рабочее тело высоковольтного генератора представляет собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры. Заявлен чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры, состоящий из пластины из альфа-кварца, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и не менее двух отражающих элементов (ОЭ).

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к пассивным устройствам радиочастотной идентификации на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Технический результат заключается в улучшении идентификационных характеристик пассивной радиочастотной идентификационной метки на ПАВ.

Изобретение относится к пьезоэлектрическим датчикам и может быть использовано, в частности, в системах диагностики автомобиля и системах автосигнализации. Сущность: датчик включает пьезоэлектрическое рабочее тело и систему регистрации.

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах точного позиционирования, для линейного перемещения различных объектов и устройств в нанотехнологическом оборудовании и прецизионном приборостроении.

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной энергии и энергии вибраций.

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

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры. Чувствительный элемент для измерения температуры состоит из пьезоплаты 1, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя 3 и не менее четырех отражающих структур.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к датчикам температуры. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в термостатах для контроля постоянства температуры жидкой среды. .

Изобретение относится к термометрии, может быть использовано для измерения как стационарных, так и нестационарных температурных полей сложного пространственного профиля и позволяет повысить точность измерений и снизить трудоемкость процессов измерения за счет исключения влияния нестабильности параметров импульсного источника излучения.

Изобретение относится к термометрии , а именно к средствам измерения температуры газовых сред по скорости распространения звука в газе. .

Изобретение относится к термометрии и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных температурных полей, повысить чувствительность, снизить трудоемкость процесса измерения.

Изобретение относится к контактной термометрии и может быть использовано для измерений температуры в широком диапазоне. .
Наверх