Розробка пасивного термодатчика

Зміст

Вступ

1 КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ пасивного термодатчика

1.1 Принцип дії та функціональна схема пасивного термодатчика

1.2 Конструкція термодатчика

2 ОБГУНТУВАННЯ РОБОТОЗДАТНОСТІ ВИБРАНОЇ КОНСТРУКЦІЇ ПАСИВНОГО ТЕРМОДАТЧИКА

2.1 Вимоги до термодатчиків

2.2 Вибір принципу радіолокації для приладів на пасивних ПАХ-елементах

2.3 Принципи побудови акустичних датчиків

2.4 Принцип побудови резонаторів на ОАХ

2.5 Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль

2.6 Застосування датчиків на акустичних хвилях

2.7 Визначення необхідних параметрів, які впливають на поверхневі акустичні хвилі в пасивних Пах-елементах

2.8 Розрахунок порогової чутливості термодатчика

2.9 Розрахунок термодатчика на теплову інерційність

Висновки

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

Вступ

Вимірювальні перетворювачі на пасивних елементах (акустичні датчики) з розвитком автомобільної індустрії й індустрії телекомунікацій здобувають все більшу актуальність. Такі прилади будуються на фільтрах акустичних хвиль, комерційне використання яких почалося більше 60 років тому. Тільки в телекомунікаціях - у мобільних телефонах і на базових станціях - щорічна потреба в цих фільтрах близько 3 мільярдів. Ці прилади працюють із поверхневими акустичними хвилями й служать у передавачах полосними фільтрами як проміжних частот, так і частот радіохвиль. Крім того, акустичні датчики застосовуються в автомобільній індустрії (датчики крутного моменту й тиску в шині), медицині (хімічні датчики) і багатьох інших сферах (як датчики вологості, температури й т.д.). Причини такого широкого використання цієї технології в промисловості - невисока вартість, надійність, чутливість і витривалість приладів. Крім того, деяким з них не потрібні джерела живлення.

1 КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ пасивного термодатчика

1.1. Принцип дії та функціональна схема пасивного термодатчика

Швидкість V акустичних поверхневих хвиль чутлива до температури пропорційно kV коефіцієнту першого порядку та залежить від коефіцієнтів більш високого порядку (квадратичного, кубічного), які для різних видів матеріалу детально визначено в науково-технічній літературі. Для кварцу У- зрізу ця залежність є зручною - лінійною

V =kV Т V.

Крім того, кварц є найстабільнішім з доступних в Україні матеріалів. Зорієнтуємось на кварц у побудові пасивного термодатчика.

Час затримки хвилі в лінії затримки на термодатчику змінюється Tі відповідно зі зміною цією швидкості

Tі=Lі/ V.

Термодатчик є пасивним, оскільки він не містить елементів живлення. Опитуваня термодатчику здійснюється за допомогою радіолокаційної системи (РЛС) 1 середньої точності та середньої потужності. На самому термодатчику знаходиться антена 2 (рис.1), яку з`єднано зі зустрічно-штирьовим перетворювачем (ЗШП) 3. Посланий РЛС 1 сигнал проходить відстань L0 близько 4 м до термодатчика, приймається антеною 2 та за допомогою ЗШП 3 перетворюється у ПАХ, яка біжить по підложці 4 спочатку до відбивачів 5 (їх повинно бути не менше двох), відбивається від них і прямує назад до ЗШП 3. Втрати потужності при цьому складають не менше 3дБ. Відбитий ослаблений сигнал антеною термодатчика 2 повертається назад до РЛС 1 (рис.2), проходячи знову відстань L0. Час Tі, який проходить від випромінення сигналу РЛС до його приймання тою ж РЛС від термодатчика

T1= L1/V+T0,

T2= L2/V+T0.

В цій системі рівнянь є дві невідомі: T0 - початковий час затримки радіосигналу, та V, які визначаються після її розв`язання. Оскільки швидкість ПАХ залежить від температури, то і зміна часу затримки Tі буде залежати від температури

TіLі/ (kV Т V) +T0

Рис. 1. Функціональна схема термодатчика

Рис. 2. Відгук термодатчика.

kT - коефіцієнт термочутливості часу затримки

kV - коефіцієнт термочутливості фазової швидкості

L0 - відстань від антени передавача до антени приймача (до 4 м)

Lі - відстань від ЗШП до одного з відбивачів (біля 9 мм)

cсв - швидкість світла (300 тис.км/с)

V - фазова швидкість ПАХ (біля 3 км/с)

Tі - зміна часу затримки відбитого сигналу

Т - вимірювана температура

Хоча ця залежність нелінійна, однак kV настільки малий, що нелінійністю можна знехтувати

1.2 Конструкція термодатчика

Основним елементом конструкції є (рис.1, рис.2) чутливий елемент у вигляді лінії затримки на кварцовій підложці 4 У-зрізу. Лінію затримки виконано у вигляді рознесених ЗШП 3 із п`яти пар штирів та відбивачів 5 по 1 штирю в кожному, сформованих методом фотолітографії на поверхні кварцу шарами хром-мідь-нікель.

Чутливий елемент за допомогою спеціального адгезійного клеючого складу встановлено в діелектричній прокладці 6, яка не дозволяє електричним наводкам у корпусі 7 впливати на чутливий елемент. Прокладку в свою чергу приклеєно до корпусу. Оскільки температурні покази не залежать від якості кріплення чутливого елементу, єдиними вимогами до клеєвого з`єднаня є його термостійкість та надійність.

Термодатчик має дуже малі габаритні розміри - його висота лише декілька міліметрів. Приєднаня гвинтами для таких малих приладів стає складним, майже неможливим. Тому для того, щоб приєднати до корпусу 7 кришку (не показано), сформовано в обох елементах декілька виступів 8, які з попреднім натягом входять один в інший і клеються.

В нижній частині корпусу сформовано виступи з отворами, які по-перше, дозволять міцно приєднати термодатчик до об`єкту контролю, по-друге дозволяють на днищі корпусу наклеяти антену 2 термодатчику. Кінці цієї спіральної антени підключаються через отвір у підкладці 6 та корпусі до ЗШП лінії затримки. Отвір у корпусі герметизується, найкраще склоспаєм.

2 Обгунтування роботоздатності вибраної конструкції пасивного термодатчика

2.1 Вимоги до термодатчиків

Оскільки інформація про нові типи вимірювачів не завжди є повною та містить комерційну таємницю, для визначення сучасного рівня та основних орієнтирів у розробці таких датчиків скористаємось відомостями про класичні серійні термодатчики, якими є термометри опору. Згідно ГОСТ 6651-78 термометр опору використовується для перетворення температури в діапазоні -200...+1100 С в опір.

Найчастіше використовуються термоопори 3-х типів:

- платинові (ТОП)

- мідні (ТОМ)

- напівпровідникові (ТОП)

Платинові ТЕ мають високостабільний температурний коефіцієнт опору ТКО, гарну відтворюваність властивостей.

Функція перетворення ТОП має вигляд.

Платина:

RT=R0(1+AT+BT2), при TЄ(0 ч 650) ?С

R0- опір при Т0=0?С;

Т- поточна вимірювана температура, ?С;

А=3,90784х10-3К-1;

В=5,7841х10-7К-2;

RT=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3],

при TЄ(-200…0)?С, де С=-4,482х10-12К-4.

Мідні ТО широко поширені завдяки своїй дешевині й лінійній залежності ТКО від температури.

Мідь:

RT=R0(1+бRхТ), при TЄ(-50…200)?С ; (3)

бR=4,26х10-3ДО-1 -ТКО першого порядку мідного ТЕ;

R0- опір при Т0=0?С;

Т- поточна вимірювана температура, ?С;

Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих меншими габаритами й більшими значеннями ТКО.

ТКО напівпровідникових терморезисторів негативний і зменшується зворотньопропорційно квадрату абсолютної температури: б=В/Т2. При 20?С ТКО становить 0,02 ч 0,08 К-1.

Температурна залежність опору ТСП (рис. 1 крива 2) досить добре описується формулою Rи=AeВ/T, де Т - абсолютна температура, А - коефіцієнт, що має розмірність опору, В - коефіцієнт, що має розмірність температури. На рис.3 для порівняння наведено температурну залежність для мідного терморезистора (пряма 1).

Якщо для використаного перетворювача не відомі коефіцієнти А и В, алі відомі опори R1 й R2 при Т1 і Т2, то опір і коефіцієнт В для будь-якої іншої температури можна визначити зі співвідношень:

Недоліками напівпровідникових терморезисторів, що істотно знижують їхні експлуатаційні якості, є нелінійність залежності опору від температури (рис. 1) і значний розкид від зразка до зразка як номінального опору, так і постійної В.

По конструктивному виконанню металеві, мідні й платинові ТО діляться на дві великі групи:

- средовищні (що занурюють) ТО, призначені для внутрішнього вимірювання температури рідких, газоподібних і сипучих середовищ у різних галузях техніки;

- поверхневі ТО, призначені для виміру температури поверхні твердих тіл на які безпосередньо встановлений ТО.

Конструкція термометра опору типу ТОП-6097, призначеного для вимірювання температури газоподібних або рідких хімічно неагресивних й агресивних середовищ у діапазоні від -50 до +250 , показана на рис.4. Чутливий елемент 1 платинового термометра являє собою керамічний каркас, у канали якого поміщено спіраль із платинового дроту. Кінці спирали приварені до виводів, через які чутливий елемент з'єднаний із трьохжильним кабелем. Канали каркаса засипані керамічним порошком й герметизовані. Захисна арматура 2 термометра являє собою зварну конструкцію зі сталевої сурми й штуцера. Місце сполучення чутливого елемента з кабелем закривається ковпаком 4 із прес-матеріалу АГ-4В, угвинченим у верхню частину штуцера 3, і заливається компаундом.

Показники теплової інерційності промислових термометрів становлять 10ч60с і визначаються так саме, як і для термопар. Виключення становлять термометри, призначені для вимірювання температури газу; для них показник теплової інерційності визначається як постійна часу при зануренні термометра в потік повітря, що має постійну швидкість 0,5 м/с.

Рис.4 Конструкції традиційних термодатчиків

Поверхневі термоперетворювачі відрізняє висока надійність, малі розміри, матеріалоємність, поліпшені показники теплової інерції. Термоопори стійкі до вібрації й зберігають працездатність при вологості до 98 %. Не вимагають складних монтажних робіт при установці на об'єкті. При установці на труби або радіатори дозволяють із низькою тепловою інерцією виміряти температуру енергоносія. Практично незамінні для труб малого діаметра, де установка середовищних перетворювачів ускладнена або економічно недоцільна.

ЧЕ термоперетворювачів групи 2 виконані у вигляді плоскої одношарової біфілярної спіралі, закріпленої між двома пластинами зі склотканини. Товщина такого ЧЕ не перевищує 0,15мм. Виводи перетворювача 2-1 - плоскі у вигляді пелюстків. Перетворювачі 2-3, 2-7 конструктивно виконані на базі моделі 2-1, алі із повторюємо закладенням виводів у корпусі із пресматеріала АГ-4У (2-3) або високотемпературного клейового заливання (2-7). Термоперетворювачі 2-1, 2-3, 2-7 рекомендуються для вимірювання температури поверхонь обмоток, підшипників, електродвигунів і генераторів, а також поверхонь труб будь-якого діаметра. Термоперетворювач 2-9 призначений для виміру температури зовнішнього повітря й температури в приміщеннях.

Поверхневі ТО найбільш використовуються в сучасних вимірювальних перетворювачах і різних бортових вимірювальних системах як датчики температури для визначення поточної температури бортового засобу вимірювання з метою наступної алгоритмічної компенсації його систематичних додаткових температурних похибок.

В Україні АТ «Чезара» робить мідні й платинові середовищні й поверхневі ТО (таблиця 1, 2).

У таблиці 3 у скороченому об'ємі наведені параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО. Зроблені заводом-виробником ТО після їх статичного градуювання розподіляються на п'ять класів точності. Критеріями розподілу є припустимі відхилення опору R0 при Т0=0?З і чутливості S100=R100/R0, обумовленої як відношення опорів при Т=100?З і Т0=0?С. Величини припустимих відхилень наведені в табл. 4.

Таблиця 1

Основні технічні характеристики поверхневих ТО виробництва АТ «Чезара»

Технічна характеристика	Тип, марка ТЕ
	Мідний ТОМ	Платиновий ТОП
	ТМ-221	ТМ-006 (ТМ-104)	ТМ-232	ТЭМ	ТП-018 (025)	ТП-033
1. Діапазон вимірюваних температур, °З	-50... …+200	-196... …+200	-130... …+200	-196... …+200	-260... …+300	-50... …+1000
2 Номінальний опір R0 при Т0=0°С, Ом	53; 100; 200	53; 60; 100	53; 100	53; 60; 100	60; 100; 500	15; 25; 34
3. Тип номінальної СГХ за ГОСТ 6651-94	гр. 23; 100 М; 200 М	гр. 23; 100 М	гр. 23; 100 М	гр. 23; 100 М	50 П; 100 П; 500 П	15 П; 25 П; 35 П
4. Похибка індивідуальної СГХ, не більше, °З	0,5	0,5	1,5	0,5	0,5
5. Показник теплової інерції, не більше, с	0,5	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
6. Гарантійний термін, років	12	15	15	15	15	15
7. Габаритні розміри, мм (маса, гр.)	10 х 6 (1)	20 х 32 (2,5)	10 х 20 (1,5)	(0,5)	(8) - ТП-018 (0,5) - ТП-025	49 х 23 (10)
8. Конструктивні виконання, згідно малий..2.	Тип 1 Підкладка- ситал	Тип 1 Підкладка- склотканина	Тип 1 Підкладка- склотканина	Тип 1 Підкладка- склотканина	Тип 1 ТП-018 пластм. корпус	Тип 1
9. Особливості застосування	Для плоских поверхонь	ТМ-006 для плоских поверхонь; ТМ-104 для поверхонь із R=7...100мм	Для поверхонь із R?10мм	Для плоских поверхонь	Для плоских поверхонь ТП-018 у пластмасовому корпусі	Для плоских поверхонь

Примітка: 1. СГХ - статична градуюальна характеристика;

1. Допуск на величину номінального опору R0 (по п. 2) не більше ±0,5 Ом.

Таблиця 2

Основні технічні характеристики середових ТО виробництва АТ «Чезара»

Технічна характеристика	Тип, марка ТО
	Мідний ТОМ	Платиновий	ТОП
	ТМ-168	ТМ-166	ТП-198 (ТП-227)	ТП-165 (ТП-175)
1. Діапазон вимірюваних температур, °З	-196... …+200	-196... …+200	-260... …+200	-260... …+300
2 Номінальний опір R0 при Т0=0°С, Ом	100	100	100, 500	100
3. Тип номінальної СГХ за ДЕРЖСТАНДАРТ 6651-94	100 М	100 М	100 П, 500П	100 П
4. Похибка індивідуальної СГХ, не більше, °С	0,5	0,5	0,5 0,1 у діапазоні -260...0С	0,5
5. Показник теплової інерції, не більше, с	5	5	3 (ТП-198) 0,5(ТП-227)	5
6. Гарантійний рядків, років	15	15	12	10
7. Габаритні розміри, мм (маса , гр.)	(20)	(80)	(74 - ТП-198) (12 - ТП-227)	(80 - ТП-165) (20 - ТП-175)
8. Особливості застосування й конструкції	Для неагресивних рідин і газів. Кріплення- двома гвинтами. Негерметичний.	Для неагресивних рідин і газів під тиском до 200 кг/див2. Кріплення- різьба М16-1. Герметичний.	Для криогенних рідин. Герметичний.	Для неагресивних рідин і газів, ТП-175 негерметичний. ТП-165 герметичний при тиску до 200 кг/див2.

Таблиця 3

Параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО

Тип термометра	Номінальний опір при 0°С, Ом	Позначення градуювальної характеристики	Діапазон температур, °С
ТОП	1 5 10 (46) 50 100 500	1П 5П 10П (гр. 21) 50П 100П 500П	-50...+1100 -100...+1100 -200... +1000 -260... +1000 -260...+ 1000 -260...+1000 -260...+300
ТОМ	10 50 (53) 100	10М 50М (гр. 23) 100М	-50...+200 -50...+200 -50...+180 -200...+200

Таблиця 4

Припустимі відхилення номінальних СГХ мідних і платинових ТО

Тип термометра	Клас точності	Параметр термометра
		ДR0/ R0, %	S100=1,3910	S100=1,4280
			+a	-b	+a	-b
ТОП	I II III IV V	±0.05 ±0.1 ±0.2 ±0.4 ±0.8	0,0015	0,0005 0,0010 0,0020 0,0030 0,0050	-
ТОМ	I II III IV V	- ±0.1 ±0.2 ±0.5 ±1.0	-	- 0,001 0,002 0,003 0,005

Будь які інші вимірювачі температури для того, щоб бути готовими до широкого використання, повинні відповідати представленим характеристикам. Зорієнтуємось на досягнення розробленим термодатчиком показників серійних термометрів: діапазон вимірювання термодатчиків на пасивних ПАХ-елементах -50 …+200°С, похибка вимірювання 0,5%, показник теплової інерційності 5 с, габаритні розміри 106 мм.

Вимірювальний ланцюг також матиме класичну схему (рис.5) ТО в складі чутливого до температури первинного перетворювача (ПП) та вторинного перетворювача (ВП) вихідної характеристики термодатчика до потрібного вигляду .

Т [?C] R(T) [Ом] U(T) [В]

Рис. 5. Структурна схема ДТ

ВП, як правило, є потенціометричним або мостовим вимірювальним ланцюгом (ВЛ) постійного струму, що здійснює перетворення опору ТО R(T) у вихідну електричну напругу постійного струму пропорційну вимірюваній температурі. Для термодатчика на пасивних ПАХ елементах ВП є передавачем та приймачем радіосигналу.

2.2 Вибір принципу радіолокації для приладів на пасивних Пах-елементах

Виділяють два види радіолокації:

· Пасивна радіолокація заснована на прийомі власного випромінювання об'єкта

· При активній радіолокації радар випромінює свій власний зондувальний імпульс і приймає його відбитим від мети. Залежно від параметрів прийнятого сигналу визначаються характеристики мети.

Активна радіолокація буває двох видів:

Рис.6 . Радіолокаційна станція

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5:Radarops.gif

Активна радіолокація з пасивною відповіддю

· З активною відповіддю -- на об'єкті передбачається наявність радиопередатчика (відповідача), що випромінює радіохвилю у відповідь на прийнятий сигнал. Активна відповідь застосовується для опізнавания об'єктів (свій-чужий), а також для одержання від них додаткової інформації (наприклад, кількість палива, тип об'єкта й т.д.).

· З пасивною відповіддю - сигнал запиту відбивається від об'єкта й сприймається в пункті прийому відповідно.

Для побудови пасивного ПАХ-термодатчика будемо використовувати саме останній метод (із пасивним відгуком).

Радіолокація заснована на наступних фізичних явищах:

· Радіохвилі розсіюються на виявлених на шляху їхнього поширення електричних неоднорідностях (об'єктами з іншими електричними властивостями, відмінними від властивостей середовища поширення). При цьому відбита хвиля, також, як і власне, випромінювання цілі, дозволяє виявити ціль.

· На більших відстанях від джерела випромінювання можна вважати, що радіохвилі поширюються прямолінійно й з постійною швидкістю, завдяки чому є можливість вимірювати дальність і кутові координати мети.

· Частота прийнятого сигналу одержує додатковий зсув щодо частоти випромінюваних коливань при переміщенні крапок прийому й випромінювання (еффект Доплера), що дозволяє вимірювати радіальні швидкості руху мети відносно РЛС.

У РЛС із фазовим методом виміру дальності, характерно безперервне зондувальне випромінювання. У цьому випадку про відстань до об'єкта судять по зміні фази сигналу генератора масштабної частоти за час поширення електромагнітних хвиль до об'єкта й назад. У фазометрі рівняються дві хвилі: пряма, що надходить безпосередньо від генератора, і відбита, з виходу приймача після відбиття від об'єкта. Ці радіохвилі мають різні фази.

Нехай напруга, вироблювана генератором, змінюється за законом

Umax=Um*sin(ft+ф0),

Де ф0 - початкова фаза; f - масштабна частота. Цією напругою модулюються коливання генератора високої частоти, які випромінюються в простір. Тоді напруга відбитого сигналу на виході приймача (Пр)

Uотр= Um отр* sin[(ft - ft0)+ф0] = Um отр* sin(ft - ft0+ф0),

де ft0 - зсув фаз між прямим і відбитим сигналами.

У цій формулі не враховуються запізнення фази сигналу в ланцюгах РЛС і зсув фаз, що виникає при відбитті від об'єкта. Ці параметри постійні й можуть бути отримані експериментальним шляхом.

Оскільки t0 = 2D/c, то ф = f2D/c .

Із цієї формули виходить, що зсув фаз між прямим і відбитим сигналами залежить від дальності до об'єкта й частоти генерованих коливань. Оскільки частота коливань постійна, по зсуву фаз можна визначити дальність до об'єкта.

При імпульсному методі радіолокації передавачі генерують коливання у вигляді короткочасних імпульсів, за якими ідуть порівняно тривалі паузи. Причому тривалість паузи вибирається виходячи з дальності дії РЛС Dmax.

Сутність імпульсного методу полягає в наступному:

Передавальний пристрій РЛС випромінює енергію не безупинно, а короткочасно, що строго періодично повторюються, імпульсами, у паузах між якими відбувається прийом відбитих імпульсів прийомним пристроєм тієї ж РЛС. Таким чином, імпульсна робота РЛС дає можливість розділити в часі потужний зондувальний імпульс, випромінюваний передавачем і значно менш потужний відбитий сигнал. Вимір дальності до мети зводиться до виміру відрізка часу між моментом випромінювання імпульсу й моментом прийому, тобто часом руху імпульсу до мети й назад. Імпульсний принцип є найбільш перспективним для приладів на ПАХ.

Нові вимоги, пропоновані до РЛС, привели до розробки зовсім нової техніки, нових принципів радіолокації. У цей час на сучасних РЛС імпульс посланий станцією являє собою сигнал, закодований по досить складному алгоритму ( найпоширеніший код Баккера), що дозволяє одержувати дані підвищеної точності й ряд додаткових відомостей про ціль спостереження. З появою транзисторів й обчислювальної техніки потужні мегаватні передавачі пішли в минуле. На їхню зміну прийшли складні системи РЛС середньої потужності об'єднані за допомогою ЕОМ. Це дало поштовх до використання інших можливостей радіолоокації, зокрема, для дистанційних пасивних вимірювачів.

Та якщо відбиття сигналу відбувається в лінії затримки, то час затримки в цій лінії завдяки на 5 порядків меншій швидкості ПАХ (3000м/с), ніж швидкість радіохвилі в повітрі (300000000м/с), є набагато більшим, хоч на 2-3 порядки, ніж час бігу радіохвилі до термодатчика. Тому часом бігу радіохвилі можна знехтувати, оскільки малопотужний ВП не зможе знаходитись далеко від ПП.

Якщо сигнал проходить велику відстань, то він частково розсіюється, спотворюється й слабшає й виділити його в приймачі із власних шумів приймача й шумів іншого походження найчастіше вкрай важко. Ослаблення сигналу при радіолокації цілком піддається розрахунку, що заснований на простих фізичних міркуваннях. Якщо в якійсь крапці випромінюється потужність Р, то потік потужності через одиничну площадку, що перебуває на відстані R, буде пропорційний Р/4R2. У знаменнику стоїть площа сфери радіусом R, що оточує джерело. Таким чином, при звичайному радіозв'язку потужність, прийнята антеною, обернено пропорційна квадрату відстані. Цей закон - закон сферичного розходження пучка енергії - виконується завжди при поширенні хвиль у вільному просторі. Навіть якщо сконцентрувати випромінювану потужність у вузький промінь і потік енергії зросте в кілька разів, (цей коефіцієнт називається коефіцієнтом спрямованої дії антени), квадратична залежність від відстані збережеться. Але в радіолокації радіосигнал переборює подвійні відстані, а сама опромінювана ціль розсіює енергію в усіх напрямках, і якщо потік енергії , що опромінює ціль, слабшає обернено пропорційно R2, то прийшовши до приймача потік ще послабляється в стільки ж раз і виявляється обернено пропорційним R4. Це означає, що для підвищення дальності дії РЛС у два рази за інших рівних умов потужність її передавача треба підвищити в 16 разів. Настільки високою ціною досягаються високі характеристики сучасних РЛС.

2.3 Принципи побудови акустичних датчиків

Як джерело інформації у вимірювальних перетворювачах на пасивних елементах використовується механічна, або акустична, хвиля. Коли хвиля поширюється усередині матеріалу або по його поверхні, будь-які зміни характеристик траєкторії поширення хвилі впливають на швидкість й/або амплітуду хвилі. Частота й фазові характеристики показують зміну швидкості хвилі.

Практично всі акустичні прилади й датчики для генерування хвилі використають п'єзоелектричні матеріали. П'єзоелектрика була відкрита братами (Пьером і Полем-Жаком Кюрі Pierre й Paul-Jacques Curie) в 1880 р., а назви одержало в 1881 р. від Вільгельма Хенкела (Wilhelm Hankel). П'єзоелектрикою називають електричний заряд, що з'явився в результаті механічної напруги. Твердження вірно й у зворотну сторону. Застосування підходящого електричного поля до п'єзоелектричного матеріалу створює механічна напруга. П'єзоелектричні акустичні сенсори створюють механічні хвилі за допомогою електричного поля. Ці хвилі поширюються в підкладці, а потім, для проведення необхідних вимірів, трансформуються назад в електричне поле.

Поверхневі пружні хвилі зустрічаються в природі часто. З ними зв'язано, наприклад, поширення коливань земної кори (землетрусів) або збурюванні на поверхні води. У цих випадках довжина хвилі являє собою величину від сотень метрів ло декількох сантиметрів. Поверхневі пружні хвилі вивчав еше у вісімдесятих роках минулого століття Релей у зв'язку із проблемою визначення епіцентру землетрусів [169]. Він створив теоретичну основу для рішення завдань, пов'язаних з поверхневими пружними хвилями.

Поверхневі пружні хвилі займають істотно менший діапазон, чим зазначено вище: вони укладені в області 10-5--10-1см. Такі хвилі відомі як поверхневі акустичні хвилі (ПАХ), хоча їхні частоти відповідають області ультразвуку.

Для порушення й реєстрації ПАХ застосовують пьєзоелектрики, значення яких у зв'язку із цим істотно зросло. Поверхневі акустичні хвилі володіють рядом чудових властивостей, що представляють інтерес для фахівців в області електроніки. Насамперед це (у порівнянні з об'ємними хвилями) їхня доступність і можливість управляти ними у всіх крапках поверхні, де вони існують. Поверхневі акустичні хвилі поширюються зі швидкістю на п'ять порядків нижче, ніж швидкість електромагнітних хвиль, що дозволяє використати методи, застосовувані в діапазоні НВЧ.

Звичайний акустичний пристрій (рис.7) складається із двох зустрічно-штирових перетворювачів. Один з них перетворить енергію електричного поля в механічну хвилю, інший проводить зворотне перетворення.

Рис. 7. Акустичний пристрій

У виробництві пристроїв, що працюють на акустичних хвилях, використається фотолітографічний процес (рис.8); приблизно таким же способом виготовляються інтегральні схеми. Єдина різниця полягає в тім, що в акустичних датчиках немає переходів.

Рис. 8. Фотолітографічний процес

При виготовленні акустичних сенсорів найбільше часто використаються наступні п'єзоелектричні підкладки: кварц (Si2), танталат літію (LiTa3) і трохи рідше ніобат літію (LiNb3). У кожного із цих матеріалів є свої переваги й недоліки, пов'язані із ціною, температурною залежністю, загасанням і швидкістю поширення. В таблиці 5 наведено коефіцієнти чутливості деяких матеріалів, за якими можна визначити чутливість частоти (періоду) ПАХ до зовнішніх впливаючих факторів: деформацій ij звукопроводу KeSpij, його температури T та обертання основи :

f/fn0KeSpij+KtT+Kk/fn0-L/L0.

Таблиця 5

Коефіцієнти чутливості звукопроводу ПАХ

Матеріал звукопро-воду	f0n, МГц	Ke	Kt104, 0C	Kk
		Експе-римент	Розра-хунок	Експе-римент	Розра-хунок	Експе-римент	Розра-хунок
ZnO-SiO2	82,0	5,7	4,53	61,45	48,25	-0,24	-0,22
-SiO2 ST-зрізу	78,9	-0,87	-0,54	2,8	3,25	-0,44	-0,59

Слід зазначити, що анизотрорпні матеріали, у тому числі й кварц, володіють такою властивістю: температурна залежність матеріалу залежить від кута зрізу й напрямку поширення хвилі. Правильним підбором значень цих параметрів можна мінімізувати температурний ефект першого порядку. Якщо максимізувати цей ефект, то можна сконструювати акустичний датчик температури. Не можна сказати того ж про ніобат й танталат літію, тому що при будь-яких зрізі матеріалу й напрямку поширення хвилі зберігається лінійна температурна залежність. З інших матеріалів, що мають комерційне застосування, слід зазначити: арсенід галію (GaAs), карбід кремнію (Si), лангасит (LGS), оксид цинку (Zn), нітрид алюмінію (Al), п'єзоелектричний титанат свинцю-цирконію (PZT), фторид поливинилидена (PVd).

Для виготовлення датчиків використається фотолітографічний процес (див. рис. 8). Зборка починається з полірування й очищення п'єзоелектричної підкладки. Потім на підкладку рівномірно наноситься метал, як правило, алюміній. Потім на пристрій методом центрифугирования наносять фоторезист, а потім його задубливают з метою підвищення міцності. Потім ті області, які повинні бути металізовані в остаточному підсумку, закриваються світлонепроникним папером, і пристрій міститься під ультрафіолетове випромінювання. В опромінених зонах відбуваються хімічні зміни, після яких їх легко видалити за допомогою проявника. Нарешті, видаляється фоторезист, що залишився. Малюнок металу, що залишився, і є зустрічно-штировий перетворювач. Ефективність сенсора можна максимізувати за допомогою зміни довжини, ширини, товщини й розташування перетворювача.

Акустичні пристрої описуються способом поширення хвиль: через або по поверхні п'єзоелектричної підкладки. В основному акустичні хвилі розрізняються по швидкості й напрямками переміщення часток. Залежно від матеріалу й граничних умов можуть бути різні варіанти. Перетворювач кожного датчика створює електричне поле, необхідне для деформації підкладки й, відповідно, формування акустичної хвилі. Хвиля поширюється через підкладку, у якій перетвориться назад в електричне поле й повертається на інший кінець перетворювача. На рис. 9 зображено схему типового акустичного пристрою. Переміщення часток поперечних, або зсувних, в хвилі відбувається по нормалі відносно напрямку поширення хвилі. Воно може бути поляризовано таким чином, щоб бути паралельним або перпендикулярним відносно чутливої поверхні. Рух зсувної горизонтальної хвилі позначає поперечні переміщення паралельно чутливій поверхні; рух зсувної вертикальної хвилі - перпендикулярно їй.



Рис. 9. Акустичний пристрій на ОАХ

Хоча цей пристрій був створений досить давно, вимірювання швидкості осадження металу все ще здійснюється за допомогою резонатора товщини здвигової хвилі.

Хвиля, що проходить через підкладку, називається об'ємною хвилею. Найпоширенішими пристроями на об'ємній акустичній хвилі (ОАХ) є п'єзоелектричні резонатори з коливаннями зсуву по товщині (КЗТ) і датчики горизонтально поляризованих акустичних плоских хвиль (АПВ).

Якщо хвиля поширюється на поверхні підкладки, тоді вона називається поверхневою хвилею. Найбільше широко використовувані пристрої на поверхневих хвилях - це датчик поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) і датчик горизонтально поляризованих поперечних поверхневих хвиль, також відомий як датчик поверхневої зсувної хвилі (ПЗХ).

Всі пристрої на акустичних хвилях датчиками чутливі до відхилень багатьох фізичних параметрів. Будь-яка зміна в характеристики шляху поширення акустичної хвилі змінить відповідно й результат на виході. Всі датчики будуть працювати в газовому або вакуумному середовищі, але тільки їхня сукупність буде ефективно працювати при контакті з рідинами. Датчики на ПАХ та ОАХ - генерують хвилі, які поширюються в основному в поперечно-горизонтальному напрямку. Поперечна горизонтальна хвиля не випромінює енергію в рідинах, і це дозволяє працювати з рідинами без надмірного загасання. З іншого боку, у датчика ПАХ існує істотний зсув поверхневої нормалі, що приводить до випромінювання хвиль стиску в рідині, і це викликає надмірне загасання. Виключення із цього правила становлять пристрої, що використають хвилі, які поширюються на меншій швидкості, чим швидкість звуку в рідині. У незалежності від компонентів зсуву, такі типи хвиль не поширюються когерентно й у такий спосіб вони відносно не демпфіруються рідинами.

Цікавими для датчиків можуть бути також інші акустичні хвилі, такі як: плоска згінна хвиля, хвиля Лява, приповерхня акустична хвиля й хвиля Лемба. Перед тим, як звернутися до прикладів їхнього застосування, корисно буде коротко розглянути кожний з типів датчиків.

У датчику горизонтально поляризованих акустичних плоских хвиль (рис.10), хвиля поширюється між верхньою й нижньою поверхнею пластини, що дозволяє проводити вимір на обох сторонах.

Рис. 10. Датчики на поверхневих хвилях

Резонатор коливання зсуву по товщині, часто називаний кварцовими мікровагами, є найбільш відомим, давно винайденим і простим пристроєм на акустичних хвилях. Як показано на рисунку 6, він звичайно складається з товстої пластини пьєзокварца Ат-зрізу з паралельними круговими електродами, нанесеними на обидві сторони. Результатом додаткової напруги між цими електродами стає зсувна деформація пьезокристаллу.

Це пристрій відомо як резонатор, тому що пьезокристал резонує, коли утворяться електромеханічні стоячі хвилі. Зсув досягає граничних значень на грані кристала, що робить пристрій чутливим до поверхневої взаємодії. Довго такий резонатор використався для виміру рівня металізації у вакуумних системах, де він звичайно використався в генераторних схемах. Частота коливань відповідає резонансу кристала й визначає нагромадження маси на поверхні приладу. Наприкінці 1960-х було продемонстровано, як ОАХ- резонатор працює в якості датчик випару.

ОАХ резонатор характеризується простотою виробництва, здатністю витримувати суворі умови навколишнього середовища, температуростійкістю й гарною чутливістю до додаткових мас, напиленим на поверхню пьєзокристаллу. Через компонент поширення поперечних хвиль TSM резонатор також може виявляти й вимірювати рідини, що робить його гарним кандидатом у біодатчики. На жаль, ці пристрої мають найнижчу чутливість маси серед всіх датчиків, розглянутих тут. Стандартний ОАХ резонатор працює в межах 5-50 Мгц. Створення дуже тонких пристроїв, що працюють на більше високих частотах може збільшити чутливість маси, але тоншання датчиків нижче стандартних значень приводить до створення неміцних пристроїв, які складно робити й експлуатувати. Останнім часом були пророблені робота зі створення високочастотних ОАХ - резонаторів з використанням п'єзоелектричної плівки й техніки об'ємної мікрообробки кремнію.

Хвилі Релея (рис. 11) рухаються вертикально відносно грані поверхні датчика поверхово-акустичних хвиль (ПАХ). ПАХ-хвилі дуже чутливі до змін поверхні, однак не дуже придатні для більшості приладів виміру/визначення рідини.



Рис. 11. Хвилі Релея

Датчики горизонтально поляризованих поперечних поверхневих хвиль використають тонку п'єзоелектричну підкладку, або пластину, що працює як акустичний хвилевід, що втримує енергію між верхнею і нижньою поверхнями пластини (рис. 10). У результаті, обидві поверхні піддаються зсуву, так що вловлювання може виникнути на будь-якій стороні. Це важлива перевага, тому що одна сторона містить зустрічно-штировий перетворювач, якому необхідно ізолювати від електропровідної рідини або газів, у той час як друга сторона може бути використаний як датчик.

Рис. 12. Поверхневі хвилі

Енергія поверхневої хвилі замикається в межах однієї довжини хвилі з поверхні (Рис. 12) датчика на ПАХ. Ця характеристика дозволяє створювати датчики, дуже чутливі до взаємодії з поверхнею.

Так само як й ОАХ резонатор, відсутність компонента нормалі до поверхні дозволяє датчику вступати в контакт із рідиною й застосовувати його як біодатчик. Датчики на ОАХ в минулому успішно використані для виявлення ртуті в кількості мікрограм на літр, що відповідає рівню відповідного тесту відповідно до Закону про безпечну питну воду. Більше чутливі до навантаження маси від власної ваги чим TSM резонатор, SH-APM менш чутливі чим датчики поверхневої хвилі. На це є дві причини: перша полягає в тім, що чутливість до навантаження маси від власної ваги й інших відхилень залежить від товщини пластини, причому чутливість зростає разом з тоншанням пристрою. Межі товщини визначаються виробничим процесом. Друга причина полягає в тому, що енергія хвилі не досягає граничних значень на поверхні, що зменшує чутливість.

2.4 Принципи побудови резонаторів на ОАХ

Конструктивно пьєзорезонатори з коливаннями зсуву по товщині виконуються у вигляді тонких плоскопаралельних пластин (круглих або прямокутних) з відношенням довжини (діаметра) до товщини не менш 50 (рис. 13, а)

Рис. 13. Пьєзорезонатори з коливаннями зсуву по товщині

1 - пьезоелемент; 2 - електрод; 3 - токопідвід

або у вигляді плосковипуклих або двояко-випуклих лінз із відношенням діаметра до товщини не менш 5--10 (рис. 13, б). У резонаторах двох зазначених типів електроди збурення розміщаються в центрі поверхонь пьєзоелементів. У третьому варіанті, використаному порівняно рідко, ПР виконується у вигляді тонкого оконтуреного стрижня, частково або повністю вкритого електродами (рис. 13,в).

У перерахованих конструкціях електроди формуються безпосередньо на поверхні пьєзоелементу.

Підвищення робочої частоти вимагає зменшення частотозадаючого розміру пьєзовібратора. У товщинно-зсувних резонаторах це -- товщина. На частотах понад 50 МГц вона стає менше 30 мкм, що створює труднощі виготовлення й експлуатації через низьку міцність пьєзоелементів. Проблема одержання високочастотних пьєзоелементів вирішується шляхом виконання резонаторів у вигляді тонких перемичок пьєзоелементу. У цьому випадку міцність конструкції створюється великою міцністю периферії. Тонка центральна частина виконується методами іонного або хімічного травлення.

У ПРД найчастіше застосовуються пьєзорезонатори повернених У-зрізів, що дає коливання зсуву по товщині. Частота коливань цих пьєзорезонаторів у першому наближенні визначається співвідношенням

де с66 -діюча константа пружності, визначена як

Рис. 14. Залежність частотної постійної N від кута 0 для резонаторів повернених У-зрізів. Коливання зсуву по товщині

де в -- кут повороту пластини навколо осі X, відкладений від площини XZ (для чистого У-зрізу 0 = О град.

Ефект локалізації енергії в кварцових пьєзорезонаторах з коливаннями зсуву по товщині

У цих пьєзорезонаторах коливальна енергія концентрується в центральної поделектродной області пьєзоелементу. Безелектродні периферійні області ПР виявляються практично вільними від пружних коливань, що дозволяє здійснювати кріплення пьєзовібратора на значній площі поблизу його країв без помітного погіршення добротності. Цей ефект, надзвичайно важливий у практичному відношенні, прийнято називати ефектом локалізації енергії. В останні десятиліття ефект локалізації був всебічно досліджений, що послужило поштовхом до створення високочастотних ПР із моночастотным спектром і монолітними п'єзоелектричними фільтрами.

На основі пьєзорезонаторів з локалізацією енергії в цей час будується більшість пьєзорезонансных датчиків. Основні причини широкого застосування ПР із локалізацією енергії у вимірювальних перетворювачах полягають у наступному.

1. У порівнянні із системами кріплення резонаторів інших типів система кріплення пьєзорезонаторов з локалізацією енергії в істотно меншому ступені впливає на властивості резонатора як коливальної системи і його характеристики як перетворювачі параметра в частоту. Останнє ставиться до термопреобразователям і пристроїв мікрозважування на основі мас-чутливих резонаторів.

2. Використання резонаторів з локалізацією енергії в датчиках механічних величин дозволяє найбільш просто приєднувати тензочутливі резонатори в конструкцію без погіршення добротності ПР. Інші конструктивні рішення, що забезпечують акустичну розв'язку вібратора, або значно складніші (див. §2.2), або менш ефективні.

3. Пьєзорезонатори з максимальною добротністю (до 10-6) реалізовані на кварцових лінзах, що працюють із використанням ефекту локалізації. Більша добротність пьєзорезонатору -- ключ до побудови автогенераторів з високою короткочасною стабільністю частоти (до 10-12) і реалізації датчиків з високою чутливістю.

4. Пьєзорезонатори з локалізацією зсувно-товщинних коливань-високочастотні. Як наслідок цього, абсолютні зміни частоти у функції вимірюваного параметра для них звичайно вище, ніж у резонаторів інших типів. Істотне значення мають малі габаритні розміри високочастотних резонаторів. Це визначає можливість мікромініатюризації ПРД і поліпшення їхніх динамічних характеристик.

Ефект локалізації енергії породжується особливостями поширення хвиль зсуву в тонких пьезопластинах. Як згадувалося вище, у нескінченно пружному середовищі характер поширення хвиль визначається тільки властивостями матеріалу. Хвильовий процес в обмеженому тілі визначається не тільки властивостями середовища, але й характером взаємодії пружної хвилі із границями пружного тіла -- хвилеводу. Специфіка волноводного поширення сдвиговых хвиль -- їхня частотна дисперсія, що полягає в залежності постійній поширення 7 від частоти коливання з. Частотна дисперсія характерна для багатьох типів акустичних коливань .

Особливість дисперсійних хвиль зсуву в пластинах полягає в тім, що при деякій критичній частоті сокр постійна поширення хвилі стає удаваною, у результаті чого характер поширення якісно міняється. Якщо рівняння для хвилі, що поширюється, представити у вигляді

де А0 -- амплітуда коливань у крапці розташування джерела; t-- час; z-- відстань від джерела, те мнимої постійної поширення 7 = 'V 0 = V^-l) буде відповідати хвиля, експоненциально спадаюча в міру видалення від джерела:

Необхідно особливо підкреслити, що спад амплітуди коливань не зв'язаний у цьому випадку з розсіюванням енергії, оскільки, як неважко показати, потік енергії від джерела через перетин, нормальне z, виявляється рівним нулю.

Принципово хвилі зсуву можна збудити пьєзоелектрически, підводячи напругу до електродів, що повністю покривають вібратор-пластину із двох сторін. Однак у цьому випадку умови поширення сдвиговой хвилі будуть у всіх крапках пьезоелемента ідентичні й, таким чином, при частотах вище частоти відсічення хвиля буде вільно поширюватися по всьому пьєзоелементу, а на частотах нижче частоти відсічення хвиля поширюватися не зможе в жодній з областей. Це фактично означає, що п'єзоелектричне порушення хвильового процесу на частотах з < сокр у розглянутому випадку фізично нереалізовано. (Попутно відзначимо, що введення електродів збільшує момент інерції пьєзоелемента й зрушує частоту відсічення сокр униз у порівнянні із частотою відсічення вільної пластини.) З розглянутого приклада ясно, що для локалізації енергії в одній з областей пьєзоелемента необхідно створити у вібраторі неоднорідність. Найбільше просто це досягається, якщо електроди порушення покривають тільки частина пьєзоелемента. У цьому випадку центральна, поделектродная область вібратора характеризується частотою відсічення сое меншої, чим частота відсічення вільної пластини сос. Якщо тепер збуджувати елемент на частоті з', для якої сое < з' < < сос, те, як неважко переконатися, для поделектродной області постійна поширення 7Е буде дійсна й хвилі зсуву в цій області будуть поширюватися вільно. У той же час постійна поширення у вільній пластині 7С виявляється мнимої й хвилі зсуву в ній поширюватися не зможуть. Відповідно до (1.23) амплітуда А буде експоненциально спадати в міру видалення від краю електрода на периферію. Таким чином, при частоті порушення, що задовольняє умові сое < з < сос> енергія механічних коливань зсуву буде локалізуватися в поделектродной області, не поширюючись на периферію пьезоелемента. На частотах з > сос постійна поширення виявляється дійсної у всьому вібраторі, так що енергія коливань вільно витікає з поделектродной області на периферію. У той же час на частотах з < сое постійна поширення мнима у всіх областях пьезоелемента, і, як ми вже відзначали, на цих частотах п'єзоелектричне порушення нереалізоване. Таким чином, умови локалізації сдвиговых коливань по товщині реалізуються тільки в області частот сое < з < сос.

Розглянемо тепер питання про резонанс пьєзотока в структурі. Резонансна частота змінюється обернено пропорційно товщині пьєзоелмента. З елементарних фізичних міркувань ясно, що складена система, у якій товщина вібратора варіюється в межах від hn у вільній частині до hn + h3 в області електродів, повинна мати частоту механічного резонансу, що відповідає деякому проміжному значенню товщини hp:

hn < hp < hn + h3.

Звідси виходить, що механічний резонанс системи пластина-електроди повинен досягатися на частоті, що лежить у проміжку між частотами відсічення. Оскільки для цього проміжку реалізуються умови локалізації й енергія коливань зосереджена під електродами, на цій частоті коливань буде спостерігатися резонанс пьезотоку.

Спектральні характеристики ПР із локалізацією енергії в сильному ступені залежать від параметрів електродних покриттів: збільшення площі й маси електродів приводить до появи додаткових резонансів у спектрі пьезотоку в безпосередній близькості від частоти основного резонансу. Ці паразитні резонансы звичайно називають ангармоническими обертонами. (Визначенням ангармонические підкреслюється той факт, що на відміну від обертонів гармонійній, кратних основній частоті, ангармонические обертони умові /„ = nft не задовольняють.)

Зменшуючи товщину й поперечні розміри електродів, можна домогтися локалізації єдиного резонансу, придушивши інші ангармонічні обертони, тобто забезпечивши моночастотный спектр ПР. Співвідношення, що забезпечує виконання цієї вимоги, знайдено з теоретичного аналізу спектра коливань пластин й одержало назву критерію моночастотности. Критерій моночастотности записується як



де ах і az -- розміри електрода відповідно уздовж довжини й ширини пластини; А и В -- постійні (для кварцового У-зрізу відповідно А = 2,8; В = 2,17); R - так званий коефіцієнт зниження, що характеризує відносну різницю частот вільної й електродної областей вібратора:

Тут p` і p - щільності відповідно кварцу й електрода, а h і h' -товщини відповідно вібратора й електрода, нанесеного з однієї сторони пластини.

Звичайне зниження R становить не більше 0,01-0,03. Величина R визначає швидкість спаду амплітуди коливань А в міру видалення від краю електрода. Практично, якщо пьезоелемент кріпиться по периферії на відстані 10-15 h від краю електрода, добротність коливань ПР може бути збережена на рівні 50-100 тисяч.

У порівнянні із плоскими більше ефективна локалізація енергії в центрі пьєзоелементу досягається в лінзових ПР. У цих резонаторах навіть при відсутності електродів центральна область має більш низьку частоту відсічення, оскільки товщина в центрі за рахунок сферичності перевищує товщину вібратора на периферії. Різниця частот відсічення в центрі й на периферії становить у лінзах не 1--3%, як у резонаторах-пластинах, а істотно більше: у принципі, товщина лінзи на краю може бути зведена до нуля. Тому в лінзових резонаторах вдається більш якісно розв'язати край пьєзоелементу від коливань, забезпечивши цим одержання добротностей на рівні 106 -- 107. Відповідно до теорії для кварцу граничні значення добротності самого матеріалу залежать від частоти й визначаються співвідношенням

Добротність кращих лінзових резонаторів близька до теоретичної межі.

2.5 Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль

В 1887 році лорд Релей відкрив режим поверхневої акустичної хвилі й у своїй класичній роботі пророчив властивості цих хвиль. Названі по імені людини їх що відкрили, хвилі Релея володіють поздовжнім і вертикальним поперечним компонентом, що може з'єднуватися із середовищем при контакті з поверхнею пристрою. Таке з'єднання сильно впливає на амплітуду й швидкість хвилі. Ця риса дозволяє датчикам ПАХ прямо оцінювати масу й механічні характеристики. Рух поверхні також дозволяє використати ці пристрої як мікроприводи. Хвиля має швидкість приблизно на 5 порядків менше ніж відповідна електромагнітна хвиля, що робить поверхневі хвилі Релея одними із самих повільних по швидкості поширення у твердих речовинах. Амплітуда хвилі становить ~10 Aнг, а довжина хвилі коливається від 1 до 100 мікронів.

На рис. 12 докладно представлено область деформації, викликана поширенням ПАХ уздовж осі Z і відповідний розподіл потенційної енергії. Тому що фактично вся енергія хвиль Релея укладена в межах однієї довжини хвилі на поверхні, датчики ПАХ мають найбільшу чутливість серед всіх розглянутих акустичних датчиків.

Зазвичай датчики ПАХ працюють у межах від 25 до 500 Мгц (рис.15). Одним з недоліків цього пристрою є те, що хвилі Релея є поверхневими нормальними хвилями, і тому вони погано підходять для виміру рідин. Коли датчик ПАХ вступає в контакт із рідиною, в результаті хвилі стиску викликають істотне загасання поверхневої хвилі.

Рис. 15. Приклади датчиків на ПАХ

Датчики акустичної хвилі комерційно доступні в декількох формфакторах. Більшість із них являє собою напівпровідникові пластини, які потім тестуются, нарізаются на кристали й упаковуються.

Якщо зріз пьезокристалла відповідним чином повернути, тоді мода хвилі міняється від датчика з вертикально-поперечною ПАХ до датчика на поперечно-горизонтальної ПАХ. Це істотно знижує втрати, коли рідини вступають у контакт із середовищем поширення, що дозволяє датчикам ПАХ працювати в якості біосенсорів.

У загальному випадку, чутливість датчика пропорційна кількості енергії, що виникає на шляху поширення хвилі. Датчики об'ємної акустичної хвилі розсіюють енергію з поверхні через речовину основи на іншу поверхню. Розподіл енергії мінімізує інтенсивність енергії на поверхні, на якій відбувається вимір. Датчики ПАХ навпаки фокусують енергію на поверхні, що робить їх більше чутливими. Інші конструкторські міркування при виборі датчиків акустичних хвиль містять у собі стабільність генератора й рівень перешкод.

2.6 Застосування датчиків

Всі датчики акустичних хвиль у тім або іншому ступені чутливі до відхилень від багатьох фізичних параметрів. Якесь із представлених на ринку датчиків представлені на фото 1. По суті говорячи, всі датчики акустичних хвиль, що випускають для індустрії телекомунікацій повинні бути герметично запечатані для запобігання будь-яких перешкод, які можуть бути обмірювані пристроєм і відповідно викличуть небажані зміни на виході.

Рис. 16. Лінія затримки

Якщо вибрати правильний напрямок зрізу матеріалу, тоді будуть переважати горизонтально поляризовані поперечні поверхневі акустичне хвилі (рис.16). У цих хвиль є зсув, паралельний поверхні пристрою.

Рівень фактору, що можуть уловити акустичні пристрої, може бути значно збільшений шляхом нанесення на пристрій покриття з матеріалів, які перетерплюють зміни в масі, пружності, або провідності під впливом яких-небудь фізичних або хімічних стимулів. Під прикладеною напругою, що міняє динамічні властивості середовища, ці датчики стають детекторами тиску, що обертає моменту, ударної хвилі й сили. Вони стають датчиками маси, або ваги, якщо часткам дозволено контактувати із середовищем поширення, міняючи напруги в ній. Вони стають датчиками випару коли застосовується покриття, що абсорбує тільки певні хімічні осадження. Ці пристрої працюють шляхом ефективного виміру маси абсорбованого осадження. Якщо покриття абсорбує певні біологічні хімічні речовини в рідинах, датчик стає біодатчиком. Як було замічено раніше, якщо вибрати правильний напрямок поширення хвилі, можна створити бездротової датчик температури. Середовище поширення міняється разом з температурою, впливаючи на дані на виході. Нижче наведені деякі найбільш загальні способи застосування датчиків акустичних хвиль.

Термодатчик будується на термозалежності швидкості поверхневих хвиль, яка визначається напрямком і типом кристалічного матеріалу, використовуваного для виробництва датчика. Термодатчики на базі генераторів лінії запізнювання ПАХ володіють міліградусною роздільною здатністю, гарною лінійністю й низькою інерцією. Вони до того ж досить чутливі до навантаження маси від власної ваги й тому повинні бути герметично упаковані. 124 Мгц термодатчик кварцу ST-зрізу приповерхньої об'ємної хвилі, як недавно стало відомо, має температурний коефіцієнт 32 ppm/ C і чутливість 0.22 C. Він також продемонстрував на три порядки меншу чутливість до навантаження маси від власної ваги, чим датчик на ПАХ. Час відповіді становить 0.3 с, що в 103 рази швидше ніж датчик ПАХ. Перевага термодатчиков також полягає в тому, що вони не вимагають елементів і вони є бездротовими, що робить їх придатними для використання у віддалених місцях.