Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
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 l. 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 l 0= l. 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 l и l 0 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 t равно времени прохождения акустической волны между ВШП, т. е. t = L/u, где u = – скорость распространения ПАВ; Eij – константа упругости; r – плотность материала.
В кварце Y -среза скорость распространения ПАВ равна u= 3159 м/с; таким образом, при L = 10 мм время задержки составляет около 3 мкс. Длина волны l определяется скоростью распространения uичастотой возбуждения волн и составляет l= u /f. Современная технология обеспечивает возможности создания ВШП с шагом до l 0 = 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 j (w)= –wt. Значение эквивалентной добротности определяется формулой: и составляет Q экв= pw0t L /(2l). Длина L ограничена размерами ПАВ-структуры и затуханием энергии ПАВ и не превышает L = 500l; таким образом, добротность равна Q экв»103. Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних факторов используется в измерительных преобразователях с частотнымвыходом. При изменении t относительное изменение частоты генератора составляет Dw/w0=–Dt/t0. Изменение времени задержки t = L/u определяется изменением длины L и фазовой скорости uи равно Dt/t= D LIL–DЕij/ (2Eij) + Dr/(2r). Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ-структуры, под воздействием температуры, при нагружении поверхности тонкими пленками (толщина пленки h' < 0,1 l), при изменении зазора d между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном (d < 1). Соответственно на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для измерения механических величин (Dt/t–до 1%), температуры (Dt/t–до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследования параметров тонких пленок (Dt/t–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.
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 f 0» 750 Гц, чувствительность акселерометра S» 0,1 (кГц·с2)/м, предел измерения до 350 м/с2, погрешность g» 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 d в среде с диэлектрической проницаемостью e. С электрической стороны преобразователь характеризуется напряжением U между пластинами, зарядом q = CU, где С – ёмкость, равная при плоскопараллельном расположении пластин С = e S /d (без учета краевого эффекта), током i = dq/dt, энергией электрического поля WЭ = 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 u=dx/dt и электростатической силой притяжения f эс= dWэ/dx [1]. Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя отражается уравнениями: dF=wx+E 0 C 0 u; dq=E 0 C 0 x+C 0 u. Эквивалентная схема ЭС преобразователя, схематическая конструкция которого показана на рис. 2-24, а, приведена на рис. 2-24, б. В эквивалентной схеме учитываются емкость С 0 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= С 0+ С п. Влияние сопротивления утечки может быть учтено соответствующей добавкой в сопротивлении r экв= r +1/(w2 C 2экв R 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 p/2 на угол потерь d. 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 d как r 1экв=tgd/(w C 1экв) или R 2экв=1/(w2эквtgd). Емкости С 1экв и С 2экв связаны между собой зависимостью С 2экв= С 1экв/(1+tgd), и, так как обычно tgd<<1, их можно считать приблизительно равными: С 1экв» С 2экв» С экв. В образцовых воздушных конденсаторах tgd 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 С 0 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 независимоот длины зазора. В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d = 25 мм, зазоре d = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической силы достигает f эс =U2 e S/ (2d)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= e S /d определяется как gC=ge+g S –gd. 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 d 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 ge = 0,002%, при изменении влажности от 30 до 40% ge=0,01%, при изменении давления на 105 Н/м2 ge = 0,06%. Стабильными диэлектриками являютсятакже плавленый кварц (ge= 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.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-02-22; просмотров: 320; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.14.80.45 (0.018 с.) |