Розробка датчика температур на акустичних хвилях

Якщо на пристрій на ПАХ нанести хімічно сорбційний полімер, вийде датчик хімічних випарів. Додавання ще одного пристрою на ПАХ дозволить мінімізувати коливання температури й забезпечить контрольовану різницеву частоту.

Біодатчик. Подібно датчикам хімічних випарів, біодатчики визначають наявність хімічної речовини, але скоріше в рідинах, чим у парах. Як було замічено раніше, пристрій на ПАХ у цьому випадку не підходить, тому що вертикальний компонент поширення хвилі буде придушуватися рідиною. Біодатчики вироблялися з використанням TSM резонатора, SH-APM й SH-ПАХ датчиків. Із всіх відомих акустичних датчиків для виміру рідини, найбільшою чутливістю володіє датчик хвиль Лові, спеціального класу горизонтальний^-горизонтальних-горизонтальні-поперечно-горизонталАЕих ПАХ. Для того щоб створити датчик хвилі Лові, волноводное покриття міститься на пристрій на SH-ПАХ таким чином, що енергія поперечно-горизонтальних хвиль фокусируется на цьому покритті. Потім біорозпізнавальне покриття міститься на волнопроводное покриття, утворюючи повний біодатчик. Було досягнуто успішне розпізнавання anti-goat Ig у концентрації 3 3 10-8-10-6 moles при використанні 110 Мгц yz-зріз SH-ПАХ з полімерним покриттям провідну хвилю Лява.

4. КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ термодатчика НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ

4.1 Принцип дії та функціональна схема термодатчика

Швидкість V акустичних поверхневих хвиль чутлива до температури пропорційно k_V 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 =k_V 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 T_і відповідно зі зміною цією швидкості

T_і=L_і/ 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 (рис.4.1), яку з`єднано зі зустрічно-штирьовим перетворювачем (ЗШП) 3. Посланий РЛС сигнал проходить відстань L₀ близько 4 м до термодатчика, приймається антеною та за допомогою ЗШП 3 перетворюється у ПАХ, яка біжить по підложці спочатку до відбивачів (їх повинно бути не менше двох), відбивається від них і прямує назад до ЗШП . Втрати потужності при цьому складають не менше 3дБ. Відбитий ослаблений сигнал антеною термодатчика повертається назад до РЛС , проходячи знову відстань L₀. Час T_і, який проходить від випромінення сигналу РЛС до його приймання тою ж РЛС від термодатчика

T₁= L₁/V+T_0,

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 T_і буде залежати від температури

T_іL_і/ (k_V Т V) +T₀

k_T - коефіцієнт термочутливості часу затримки

k_V - коефіцієнт термочутливості фазової швидкості

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

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

c_св - швидкість світла (300 тис.км/с)

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

T_і - зміна часу затримки відбитого сигналу

Т - вимірювана температура

Рисунок 4.1 Функціональна схема термодатчика

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



Рисунок 4.2 Термодатчик на ПАВ

а - конструкція ТЧР; б - ТЧХ датчика LST-Зрізу; 1 - кварцова подложка; 2 - ВШП; 3 - корпус; 4 - гермоввод; 5 - кераміка; 6 - посріблена кришка; 7 - герметизирующее ущільнення; 8 - епоксидний клей

4.2. Конструкція термодатчика

Основним елементом конструкції є (рис.4.1, 4.2) чутливий елемент у вигляді лінії затримки на кварцовій підложці 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 , яка не дозволяє електричним наводкам у корпусі впливати на чутливий елемент. Прокладку в свою чергу приклеєну до корпусу. Оскільки температурні покази не залежать від якості кріплення чутливого елементу, єдиними вимогами до клейового з'єднання є його термостійкість та надійність.

Термодатчик має дуже малі габаритні розміри - його висота лише декілька міліметрів. Приєднання гвинтами для таких малих приладів стає складним, майже неможливим. Тому для того, щоб приєднати до корпусу кришку, сформовано в обох елементах декілька виступів , які з попереднім натягом входять один в інший і вклеюються.

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 вклеїти антену термодатчику. Кінці цієї спіральної антени підключаються через отвір у підкладці та корпусі до ЗШП лінії затримки. Отвір у корпусі герметизується.

5. ВИЗНАЧЕННЯ НЕОБХІДНИХ ПАРАМЕТРІВ, ЯКІ ВПЛИВАЮТЬ НА ПОВЕРХНЕВІ АКУСТИЧНІ ХВИЛІ В ПАСИВНИХ ЕЛЕМЕНТАХ

Датчики на акустичних хвилях - надзвичайно універсальні пристрої, чий комерційний потенціал тільки починають усвідомлювати. Вони конкурентоздатні за ціною, міцні, дуже чутливі, і надійні, тому ж деякі з них є бездротовими й/або не вимагають елементів живлення. Бездротові датчики досить зручні для використання їх на об'єктах, що рухаються, наприклад, для виміру тиску покришок на машинах або крутному моменті вала. Датчики яким не потрібна енергія бажані для вилученого спостереження за хімічними випарами, вологістю й температурою. Інші застосування включають вимір сили, прискорення, ударної хвилі, кутової швидкості, в'язкості, зсуву й потоку, як доповнення до характеристики плівки. Датчики також володію електроакустичною чутливістю, що дозволяє їм визначати рівень р, іонних домішок й електричні поля. Датчики поверхневої акустичної хвилі показали себе як самі чутливі загалом, що є результат їхньої великої щільності енергії на поверхні. Для виміру рідин самими чутливими показали себе датчики хвиль Лові, спеціального класу поперечно-горизонтальних поверхневих хвиль. Триває робота з розробки даних датчиків для застосування їх в інших областях.

Деякі важливі властивості елементів, виготовлених з п'єзоелектричних матеріалів, у тому числі елементів на ПАХ, визначаються не абсолютними значеннями матеріальних констант, а їхнім взаємним співвідношенням Одним з таких параметрів є коефіцієнт електромеханічного зв`язку. При визначенні коефіцієнта електромеханічного зв'язку в елементів на ПАХ у першу чергу становить інтерес динамічний стан. Пружний рух спостерігається лише в тонкому поверхневому шарі підкладки, уздовж якого поширюється ПАХ, що необхідно враховувати при розгляді відповідних видів енергії. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку з урахуванням цього положення, описувався б складним вираженням, а його величина була б функцією глибини середовища. Тому за аналогією з об'ємними хвилями коефіцієнт електромеханічного зв'язку для елемента на ПАХ визначається звичайно як відношення зміни швидкості поширення хвилі в не п'єзоелектричному середовищі до швидкості в п'єзоелектрику.

Позначимо фазову швидкість поширення поздовжньої хвилі в не п'єзоелектричному середовищі Vо, а фазову швидкість поширення цієї ж хвилі в п'єзоелектрику V. Можна записати

де -- щільність середовища. Для коефіцієнтів жорсткості с₁₁ і с₁₁^(р) можна записати співвідношення

де k₁-коефіцієнт електромеханічного зв'язку для поздовжньої хвилі. Із цих рівностей можна одержати:

Таким чином, відносна зміна фазової швидкості ідеальної об'ємної поздовжньої хвилі, викликана п'єзоелектричним ефектом, пропорційна квадрату коефіцієнта електромеханічного зв'язку для цієї хвилі.

У випадку ПАХ її швидкість зміниться, якщо вільну поверхню п'єзоелектрика покрити ідеально провідним шаром, товщиною якого можна зневажити. Зміна швидкості ПАХ викликано тією обставиною, що провідний шар закорочує складову електричного поля, що паралельна поверхні. Це явище має велике значення для практичних застосувань, особливо при збуренні ПАХ за допомогою перетворювача. У зв'язку із цим теоретично й експериментально були визначені швидкості ПАХ на вільній і металізованій поверхнях для різних напрямків поширення хвиль і різної орієнтації поверхні. Якщо позначити через v різницю між швидкістю на вільній поверхні v й і швидкістю на металізованій поверхні v _о, то величину v / v _о можна вважати мірою зв'язку.

Коефіцієнт електромеханічного зв'язку k для ПАХ, як і для поздовжньої хвилі, визначається співвідношенням

Це співвідношення підтверджене експериментально. Також в інший спосіб визначено коефіцієнт електромеханічного зв'язку:

Тут ?V = V -- Vo, при цьому V -- фазова швидкість ПАХ у випадку «вільних» граничних умов [тобто поверхневий імпеданс Z_p прилягаючого середовища нескінченний і діелектрична проникність для даного середовища дорівнює нулю, що практично важко здійсненно] й Vo -- фазову швидкість при «закороченных» граничних умовах (Z_p = 0, що прилягає середовище провідна). Зв'язок з визначенням задається співвідношенням

де

Для рішення завдання про поширення ПАХ необхідно знати інтенсивність і напрямок потоку енергії. Перенос енергії у випадку гармонійної зміни в часі всіх величин при квазистатическом наближенні електричного поля можна характеризувати в будь-якій крапці середовища (використовуючи електроакустичну аналогію) за допомогою комплексного вектора Пойнтинга р -- поняття, широко використовуваного в теорії електромагнітного поля. Інтенсивність ПАХ в напрямку осі Х обумовлена як середнє значення потужності, що пройшла через одиницю поверхні перпендикулярно осі, є дійсною складовою i-ої компоненти комплексного вектора Пойнтинга:

де символ Re позначає дійсну складову, а зірочкою відзначені комплексно-сполучені величини. Наведені величини дані в масштабі амплітуд. У випадку непьезоелектрического середовища відсутній член D_i* у виразі для р і п'єзоелектричний внесок e_kijE_k у виразі для T_ij.

Інтенсивність ПАХ в обраному напрямку, обумовлений формулою для р, зменшується в напрямку вглиб середовища. В елементах електроніки на ПАХ нас, як правило, цікавить інтегральна величина - загальний потік енергії ПАХ в даному напрямку, що лежить у площині границі двох середовищ. При цьому маємо на увазі середню енергію, що ПАХ переносить на поверхні в смузі шириною 1 м:

За винятком випадків псевдоповерхневих хвиль, які будуть описані нижче, величина P₃ = 0, і потік енергії ПАХ паралельний поверхні.

В анізотропному середовищі в загальному випадку напрямок потоку енергії ПАХ не паралельний напрямку її поширення. Відхилення потоку енергії від напрямку поширення можна характеризувати відношенням величин Р₁/P₂ заданих останнім виразом. Випадок коли напрямок, поширення ПАХ, обумовлений хвильовим вектором, збігається з напрямком потоку енергії ПАХ, називається чистою модою ПАХ.

Рисунок 5.1 Криві повільності для ПАХ, що поширюються в площині (110) у нікелі

Оскільки нас цікавить напрямок потоку енергії, можна також використати таке поняття, як крива повільності (рис. 5.1). Цю криву одержимо, відкладаючи в напрямку поширення ПАХ значення, обернено пропорційні її швидкості.

Напрямок групової швидкості, тобто напрямок потоку енергії (вектора Р), для даного напрямку поширення ПАХ, певного хвильовим вектором, задано напрямком нормалі до кривої повільності. На рис. 5.1 кут t визначає напрямок поширення й Ф -- кут між векторами Р и к, тобто кут відхилення потоку енергії від напрямку поширення. Із кривої на рис. 5.1 можна визначити напрямку, уздовж яких поширюються чисті моди ПАХ (вони позначені кружечками), що характеризуються тим, що вектори Р и к колінеарні. Наприклад, для напрямків, близьких до кута ? = 90° (рис. 5.1), потік енергії ПАХ відхиляється в напрямку ? = 90°, отже, пучок ПАХ фокусується.

Для ПАХ в ізотропному середовищі Використаємо загальне рішення, наведене в попередніх розділах, для випадку поширення ПАХ в ізотропному неп'єзоелектричному напівпросторі. Із властивостей вектора поляризації треба, щоб механічні змішання в цьому випадку мають місце лише в сагітальній площині. Пружні коливання назвемо поверхневою хвилею Релея. Запишемо рівняння для розрахунку фазової швидкості v_r, які виходять з вікового рівняння системи:

де v_t й v_i являють собою відповідно швидкість поперечних й повздовжніх об'ємних хвиль, що завжди більше швидкості ПАХ Релея v_j . Для складових змішань при поширенні уздовж осі X_i дійсні співвідношення мають позитивні дійсні значення, з -пр вільна константа, що залежить від інтенсивності ПАХ. З формули слідує, що поздовжня (U) і поперечна (V) складові змішання зсунуто по фазі на 90°, що є причиною еліптичного руху часток. На рис. 5.2 показана залежність амплітуд коливань хвиль Релея від відстані до поверхні. З малюнка видно, що хвиля торкає шар під поверхнею товщиною лише кілька довжин хвиль.



Рисунок 5.2 Залежність складових ПАХ Релея від глибини, вираженої в одиницях довжин хвиль

Крива 1 -- поздовжня складова з негативним знаком, крива 2 -- поперечна складова; криві нормовані відносно амплітуди поперечної складової на поверхні ізотропного твердого тіла.

Вектор Пойнтинга паралельний напрямку поширення хвилі й швидко зменшується із глибиною (-х3). Рух середовища, викликане ПАХ Релея, наочно зображено на 5.3, де показана деформація прямокутної сітки в сагиттальній площини. Дійсні зсуви становлять величини порядку 10^-5 довжини хвилі ПАХ.

Рисунок 5.3 Залежність інтенсивності хвиль Релея

Залежність інтенсивності хвиль нормованої по одиничній амплітуді на поверхні ізотропного твердого тіла, від глибини, вираженої в одиницях довжин хвиль

Рисунок 5.4 Деформація прямокутної сітки в сагітальній площини, викликана ПАХ Релея в ізотропному середовищі

А -- незбурена поверхня, В -- рух поверхні, викликаний ПАХ

Інтервали позначають зсув у різних крапках твердого тіла.

Деякі основні властивості ПАХ в анізотропному середовищі аналогічні властивостям ПАХ Релея. Вони мають еліптичну поляризацію, перенос хвильової енергії відбувається в приповерхньому шарі й фазовій швидкості не залежить від частоти. Однак анізотропія може вносити ряд відмінностей. Наприклад, фазова швидкість залежить від напрямку поширення, і потік енергії не обов'язково паралельний хвильовому вектору. Площина еліптичної поляризації хвилі може не збігатися із сагітальною площиною, і в тих випадках, коли вона збігається з нею, головні осі еліпса (рис. 5.4) не обов'язково паралельні осям Х₁ н Х₃. Загасання амплітуди хвилі в загальному випадку відбувається не за експонентним законом, а по синусоїді з експоненциально загасаючою амплітудою. Якщо анізотропне середовище має п'єзоелектричні властивості, то крім трьох складових механічних змішань існує й електричний потенціал, завдяки чому швидкість поширення ПАХ стає залежної від електричних умов на поверхні або поблизу її. У цьому випадку ПАХ супроводжується електричним полем з еліптичною поляризацією в сагітальної площини.

Підкладки для ПАВ можна вибирати із цілого ряду комбінацій орієнтації поверхні, напрямку поширення хвилі й кристалографічної симетрії середовищ. Найбільш широке поширення одержали матеріали з відносно високою кристалографічною симетрією. Це пов'язане з тим, що напрямок потоку енергії в них паралельно хвильовому вектору. Ці напрямки відповідають екстремумам криво повільності (рис. 5.1). Деякі екстремуми визначаються значенням пружних і п'єзоелектричних констант, інші тільки кристаллографічною симетрією середовища. Необхідною й достатньою умовою для існування чистої моди є задоволення однієї з наступних умов:

А) Якщо сагітальна площина (Х_1, Х₃) є площиною дзеркальної симетрії, то вісь X₁ являє собою напрямок поширений чистої моди. Рішення розпадається на дві незалежні частини: одна містить складову змішання и₂, друга -- складові и₁, и₃, .

Б) Якщо сагітальна площина перпендикулярна осі симетрії другого порядку кристалу, та вісь Х₁ є напрямком поширення чистої моди. Рішення розпадається на дві незалежні частини, одна з яких містить складові и₁ й и₃, друга -- и_г , .

Наведені випадки, коли детермінанти систем рівнянь розпадаються на дві незалежні частини, називають вирожденими. Нижче розглянуті три випадки, коли задовольняються обоє умови або одне з них.

Напрямку поширення чистої моди, що задовольняють умовам А и Б

Середовище, у якій обоє умови задовольняються одночасно, не може бути п'єзоелектричним, тому що має центр симетрії. Як приклад можна привести поширення ПАВ у напрямку кристалографічної осі уздовж базової площини неп'єзоелектричного кристала з кубічною симетрією. У цьому випадку рішення рівняння розпадається на дві незалежні частини. Складова и₂ приводить до появи об'ємної поперечної хвилі, що задовольняє граничним умовам на поверхні. Із другої частини рішення одержимо дві константи b^(т), які на відміну від ізотропного середовища не обов'язково будуть розташовуватися на негативній мнимій осі, тому що 2с₄₄?c₁₁-c₁₂. Дійсні частини констант b^(т) приводять до осциллирующей амплітуди змішання, у той час як мнимі частини характеризують загасання.

Направлення поширення чистої моди, що задовольняють умові А.Цей випадок з найпоширеніших, він відповідає орієнтації поширення ПАХ уздовж осі Х₃ на поверхні Х₁Х₂ кристала ниоба-та літію (клас 3т). Оскільки для вираження дійсно Г₁₂ = Г₂₃ = Г₂₄ = 0, рішення розпадається на дві незалежні частини. Одне рішення, що задовольняє граничним умовам, містить лише складову змішання й, отже, приводить до об'ємної хвилі, по-Ризованной перпендикулярно сагітальній площини. Ця об'ємна на відрізняється від хвилі, розглянутої в попередньому випадку, тим, що хвильовий вектор відхилений від поверхні (у напрямку усередину середовища). У той час як напрямок потоку енергії паралельно осі Х₁. Друге рішення, що містить потенціал і дві складові и₁ і и₃, представляють собою ПАХ Релея в п'єзоелектрики.



Рисунок 5.5 Залежності поздовжніх (криві 1) і поперечних (криві 2) складового змішання ПАХ, що поширюється на зрізі YZ кристала ніобата літію, від глибини, вираженої в одиницях довжин хвиль

Суцільні криві відповідають вільній поверхні, переривчасті - скороченій; криві нормовані щодо амплітуди поперечної складової на поверхні.

Значення швидкості й форма залежать від електричних граничних умов. Приймаючи, що X₃ > 0 простір заповнений середовищем з діелектричної постійної Ео (вільна поверхня) і складові електричної індукції D₃, а також потенціал безперервні, одержимо для наведеного приклада значення швидкості ПАХ, рівне 3485 м/с. Якщо поверхня покрита тонким провідним шаром, то тангенціальна складова електричного поля ПАХ на поверхні дорівнює нулю, а фазова швидкість зменшиться до величини 3405 м/с. Залежності складові змішання й потенціалу для цих двох випадків зображені на рис. 5.5 .

Електрично скорочені поверхні особливо впливають на хід кривих електричного потенціалу (рис. 5.6). Так само, як й в ізотропному середовищі, рух часток відбувається лише в тонкому шарі під поверхнею підкладки товщиною в кілька довжин хвиль. Потік енергії Р_і, має лише складову Р₁, отже, його напрямок паралельно вектору поширення хвилі.

Коефіцієнт електромеханічного зв'язку, обумовлений вираженням для наведеної орієнтації підкладки з ниобата літію у випадку поширення чистої моди ПАХ має одне з найбільших досяжних значень к² = 0,046, для кварцу 0.001.

Вимірювані значення швидкості поширення ПАХ на вільній і металізованій частинах поверхні підкладки з ниобата літію, паралельної площини XZ, залежно від кута, утвореного напрямом поширення ПАХ і віссю Z, наведені на рис. 5.7. Електричне скорочення поверхні здійснено шаром алюмінію товщиною h =23Онм.

Крива повільності для кутів в околиці осі Z представлена рис. 28. Якщо кут відхилення хвильового вектора від осі Z становить 10 град., той напрямок потоку енергії відхилено від хвильового вектора на 3 град.

Рисунок 5.6. Залежність електричного потенціалу від глибини



Рисунок 5.7 Залежність швидкості ПАХ, що поширюється уздовж У-зрізу кристала ниобата літію, від кута відхилення хвильового вектора (в інтервалі кутів д = ± 10°) від осі Z, обмірювана за допомогою лазерного інтерферометра

Суцільна крива відповідає вільній поверхні, переривчаста - скороченій шаром алюмінію товщиною 68 мм, штрих пунктирна - скороченим шаром алюмінію товщиною 230 мм.

Рисунок 5.8 Криві повільності для ниобата літію YZ зрізу (суцільна крива) і для ізотропного середовища (переривчаста крива)

Більш складний характер ПАХ в порівнянні із плоскими об'ємними хвилями особливо яскраво проявляється в явищі, пов'язаному з відбиттям хвиль. Об'ємна хвиля описується одним хвильовим фронтом, тому, вибравши необхідну частоту, можна домогтися, щоб на плоскому розділі змішання або його похідна (акустична швидкість) були дорівнюють нулю. При цьому умові відбувається повне відбиття об'ємної хвилі від вільної або закріпленої поверхні. Прикладом може служити п'єзоелектричний резонатор у формі пластини.

Для ПАВ характерним є еліптичний рух часток у сагітальній площині. У зв'язку із цим поверхневу акустичну хвилю можна розкласти на дві хвилі: поздовжню й поперечну, поляризовані в сагітальній площини й зсунуті по фазі на 90° (вплив анізотропії середовища враховувати не будемо).

Фазовий зсув приводить до того, що неможливо знайти таку частоту, при якій у певнім місці (наприклад, на ідеальному ребрі) амплітуди обох хвиль виявилися б одночасно рівними нулю або максимальними. Отже, не можна одержати повне відбиття, можливо лише часткове відбиття.

Зсув, що відповідає ПАХ, задовольняє граничній умові нульовому значенню механічної напруги на плоскій поверхні досить далека від ідеального ребра. Однак при нульовій амплітуді хвилі на ребрі й у безпосередній близькості від нього граничні умови не виконуються. Для їхнього виконання необхідно припустити існування об'ємних хвиль поблизу ребра.

Це можна пояснити сприянням деформації еліптичним рухом часток у хвилі, в результаті чого виникає лінійно поляризована хвиля типу об`ємної хвилі. Наслідком такого ефекту є те, що відбивається лише мала частина ПАХ. Мале значення коефіцієнта відбиття привело до того, що елементі, що здійснюють відбиття ПАХ , більше, ніж елементів, що перетворюють ПАХ. В частині, де стрибком змінюються пружні властивості або граничні умови, частково відбивається також і об`ємна хвиля. Доцільно припустити, що часткове відбиття відбулося на початку системи координат. Розповсюджені випадки відбиття від сходинки показані на рис.5.9.

Рисунок 5.9 Ідеалізоване подання стрибкоподібних змін властивостей поверхні, викликаних частковим відбиттям ПАХ:

а -- сходинка, утворена видаленням самого матеріалу; б -- сходинка, утворена нанесенням металевого або діелектричного шару.

(А_d -- амплітуда падаючої ПАХ, A_r-- амплітуда відбитої ПАХ, А_t -- амплітуда попередньої ПАХ й А_v амплітуда виниклої об'ємної хвилі.)

Відбиття ПАХ можна описати комплексним коефіцієнтом відбиття

Тут Ad = Ао -- амплітуда падаючої ПАХ; Аr - Гoе -- амплітуда відбитої ПАХ, причому _{г-фазове} зрушення при відбитті; k -хвильове число, рівне 2 /; Го, Гr, Гi відповідно амплітуда, реальна й мнима частини коефіцієнта відбиття. Фазове зрушення, викликаний наявністю об'ємних хвиль у місці стрибкоподібної зміни фізичних величин, як правило, є малою величиною й у першому наближенні їм можна знехтувати, тобто

Г = Го = Гг.

Визначення коефіцієнта відбиття ПАХ представляє дуже складне теоретичне завдання. На відміну від коефіцієнта електромеханічного зв'язку коефіцієнт відбиття не можна визначити виходячи тільки із властивостей ПАХ. Теоретично його можна записати у вигляді наступного ряду

де go, gi, gi -- коефіцієнти, отримані експериментальним шляхом, h - висота сходинки, - довжина хвилі ПАХ. При цьому висота сходи величина позитивна, якщо сходинка спрямована нагору. Як правило можна обмежитися лінійною частиною виразу.

Це співвідношення є основним при проектуванні пристроїв з відбивачами ПАХ, оскільки дозволяє, задавшись висотою сходи, передбачити величину коефіцієнта відбиття ПАХ. Коефіцієнт g₀ не дорівнює нулю лише у випадку провідного шару й у першому наближенні його можна записати в такий спосіб:

де v_швидкість ПАХ на вільній поверхні, v_o -- швидкість на металізованій поверхні й g_о -- коефіцієнт електромеханічного зв'язку. Однак можуть бути відхилення від цього виразу.

У випадку А < 0 (сходинка утворена вибіркою матеріалу або нанесенням діелектричного шару), як правило, |Л| <t 2 і коефіцієнт відбиття пропорційний висоті сходи, тобто Г, = giAA. Для сходинки, спрямованої вниз (А < 0), коефіцієнт відбиття має негативний знак, тобто на такій сходинці ПАХ відбивається з фазовим зсувом 180°.

Для мнимої частини коефіцієнта відбиття дійсне вираження, аналогічне, однак фізичний зміст має тільки квадратичний член

Через те що коефіцієнт відбиття від однієї елементарної неоднорідності має малу величину, у пристроях на ПАХ використають рефлектори (відбивачі), яких багато, що мають відбиваючих елементів порядку декількох сотень. Звичайно відбивач реалізується за допомогою системи канавок (рис. 5.10, а), які формують шляхом травлення, або системи провідних смужок на п'єзоелектричній підкладці (рис. 5.10, б). Металеві смужки можуть бути або ізольований одна від одної (вільні), або взаємно скорочені. У деяких випадках елементи відбивача створюються у вигляді діелектричних шарів з використанням методу іонної імплантації або дифузії металу.

Рисунок 5.10 Відбивач ПАХ:

а - система канавок, б - система смужок

Основними характеристиками рефлектора є довжина d, тобто період і коефіцієнт відбиття. Умова відбиття ПАХ від рефлектора наступна

k_d + k_m=k_r

Тут k_d і k_r - хвильові вектори падаючих і відбитої хвиль, які дорівнюють

k_d=n_d2/_d , k_r=n_r2/_r

Вектор k_m запишемо у вигляді

k_m=n_o2 n/d,

де n_o -- одиничний вектор, перпендикулярний ребрам рефлектора й спрямований від нього до його входу, а ціле число п -- порядок відбиття. Співвідношення є точним лише для відбивача з нескінченним числом елементів. Якщо число елементів кінцеве, то варто визначити напрямок, у якому відбита ПАХ має максимальну амплітуду.

Температурна залежність швидкості ПАХ подібно температурної залежності резонансної частоти резонаторів на об'ємних хвилях виражають за допомогою перших трьох членів статичного ряду

де V - різниця значень швидкості ПАХ при температурах ₀ та поточній, a Т⁽ⁿ⁾-- температурний коефіцієнт і-го порядку швидкості ПАХ

Через те, що швидкість ПАХ є функцією пружних, п'єзоелектричних і діелектричних постійних підкладок, температурний коефіцієнт швидкості ПАХ також буде функцією цих постійних й їхніх температурних залежностей.

При виборі орієнтації підкладки прагнуть, щоб температурний коефіцієнт швидкості ПАХ першого порядку був якнайближче до нуля, а температурні коефіцієнти більше високого порядку як можна меншої величини. І хоча при проектуванні елементів на ПАХ насамперед виходять із температурного коефіцієнта швидкості ПАХ, слід зазначити, що необхідно враховувати й теплове розширення самої підкладки.

при поширенні ПАХ від місця порушення хвилі до місця її приймання частина енергії хвилі губиться (втрати енергії пучка ПАХ). Розрізняють втрати, викликані геометрією, і втрати, викликані загасанням ПАХ. Причинами втрат першого типу є:

1) відхилення напрямку поширення енергії від напрямку фазової швидкості;

2) дифракція пучка ПАХ (рис. 5.11, б), т. з розмиті границі пучка й зміна його профілю.

Втрати, пов'язані із загасанням, проявляються зменшенням інтенсивності пучка зі збільшенням відстані від вхідного перетворювача (рис. 5.11, в). На загасання ПАХ впливають наступні фактори:

1) взаємодія з тепловими коливаннями ґрат;

2) розсіювання на нерівностях поверхні;

3) розсіювання на дефектах кристалічних ґрат (дислокаціях, домішках і т.д.);

4) взаємодія поверхні із зовнішнім середовищем,

]

Рисунок 5.11 Відображення втрат енергії пучка за допомогою профілів відносної амплітуди ПАХ, що поширюється між вхідним і вихідним перетворювачами:

а -- ідеальний випадок; 6 -- дифракція пучка; в -- дифракція пучка й загасання

Окремі складові загасання ПАХ різним образом залежать від температури, частоти, геометрії й властивостей середовища (рис.5.12).

Рисунок 5.12 Залежність втрат від температури

Відповідно до теорії твердого тіла ПАХ можна розглядати (особливо в області високих частот і низьких температур) як поверхневі фонони й пояснювати загасання ПАВ як взаємодія поверхневих фононів з дефектами кристалічних ґрат. Із цієї теорії сліду ст, що загасання фононів ПАХ відбувається аналогічно загасанню об'ємних фононів. Температурні залежності коефіцієнта загасання а дл ПАХ при різній частоті зображені на рис. 5.12.

В області низьких температур (нижче 10 К) коефіцієнт загасання постійний, потім при підвищенні температури різко зростає. При високій температурі (300 К) його залежність від температури слабка. Границя між цими областями залежить від частоти. При низьких температурах головну роль грає розсіювання ПАВ на нерівностях поверхні, примісних атомах і дислокаціях. Загасання не залежить від температури, але залежить від частоти. При переході до більше високих температур починає проявлятися розсіювання на теплових фононах ґрат, і різко зростає (пропорційно четвертого ступеня температури), причому проявляється й частотна залежність. При кімнатній температурі ос росте пропорційно квадрату частоти й слабко залежить від температури.

Інтерес представляє вплив прилягаючого середовища, що складає з напівпровідникового шару, у якому діє постійне електричне поле. У цьому випадку відбувається взаємодія між носіями, що рухаються, зарядів у напівпровіднику й хвилею, що рухається. Якщо швидкість зарядів перевищить швидкість ПАХ, то останні можуть підсилюватися. У літературі описаний ряд успішних спроб посилення ПАХ. Однак поки не досягнуть той результируюший ефект, що дає пасивний елемент на ПАХ з послідовно включеним активним підсилювачем. Тому описані вище активні елементи на ПАХ поки не знаходять практичного застосування.

6. РОЗРАХУНКИ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ТЕРМОДОТЧИКА

6.1 Розрахунок порогової чутливості термодатчика

Порогову чутливість термодатчика визначимо як відношення чутливості Т=0,2 мкс до часу затримки радіолокаційного сигналу РЛС середньої точності до зміни часу ПАХ в лінії затримки Т=2L / (V k_V) довжиною L=10 мм в діапазоні вимірювання температури T^ВМ

S_T = T^ВМТ/(2L / (V k_V))= 0.1510^-3 K

де V =3159 м/с швидкість ПАХ у кварці У-зрізу, k_V= -24*10^-6 1/К - її термочутливість.

Однак на вимірювання термодатчику будуть впливати інші невимірювані параметри, як то зміна тиску Р чи превантаження (в тому числі центробіжні та лінійні), перешкоди в радіолокаційному каналі. Для вимірювання та компенсації цих впливів, а також для однозначного визначення досить малопотужного імпульсу відгуку термодатчику на підложці формується декілька відбивачів (рис. 1)

6.2 Розрахунок термодатчика на теплову інерційність.

Розділяють дві задачі теплової інерційності:

1. Тепловиділення всередині елементу ЕА (рис.6.1,а);

2. Вирівнювання температури елементу ЕА із зовнішнім (рис.6.1,б).



Рисунок 6.1 Динамічні властивості термодатчика

Рисунок 6.2 Електричний аналог ланки (аперіодичної першого порядку) з тепловою інерційністю

В випадку 1 всередині елементу масою m і теплоємністю c виділяється потужність Р і температура ₂ зростає до встановленого значення:

, , .

де S - поверхня теплоообміну, - коефіцієнт тепловіддачі, Т - постійна часу.

В випадку 2 в момент часу t₁ відбувається стрибок температури ₁ зовнішнього середовища і внутрішня температура ₂ до неї вирівнюється:

, .

Від t1 до t2 (рис.6.1,в) формуються температурні градієнти, за час Т - постійну часу - відбувається 70% перехідного процесу. За час 3…5Т перехідний процес вважається майже завершеним.

Довідкові відомості щодо параметрів теплообміну найбільш розповсюджених матеріалів представлено в табл.5, 6, 7.

Таблиця 5.

Коефіцієнти тепловіддачі для типових деталей, , Вт/(м²К)

Одинична деталь (конденсатор, резистор, транзистор) і одинична плата із ізоляційного матеріалу, розташованого вертикально	15
Декілька близько розташованих вертикальних плат	11…12,5
Декілька близько розташованих горизонтальних плат	6…7
Одинична металічна пластина (пластина радіатора охолодження)	18…20
Електрична котушка (в залізному сердечнику)	30

Таблиця 8.

Питома теплоємність типових твердих матеріалів

Тип матеріалу	Важкі метали (мідь, латунь, залізо)	Легкі матеріали (алюміній фосфор, слюда)	Для органічних матеріалів (текстоліт, гетінакс, оргскло)
с, Дж/(кгК)	400	800	1200

Таблиця 9.

Коефіцієнти тепловіддачі корпусу, , Вт/(м²К).

Тип корпусу	Розташування тепловиділяючого елементу
	біля дна	бокова стінка	верхня стінка
Металевий сірий	10	14	14
Пластмасовий чорний	4	8	10

Для ЕА вагою 1…3кг Т=20…30хв., промислових термометрів Т=3…6хв.

Зменшення постійної часу можливо:

зменшенням розмірів:

(для металевої нитки 25мкм постійна часу 0,8с);

примусовим обтіканням збільшити коефіцієнт тепловіддачі:

,

де - число Рейнольда, V - швидкість повітря (при нагріві 200С для швидкостей потоку 10 і 100 м/с коефіцієнти тепловіддачі 1250 і 3160 Вт/(м²К) і постійні часу термодатчика 15 і 6 мс).

7. ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА. РОЗРАХУНОК ВАРТОСТІ ВИРОБНИЦТВА

Кошторис витрат являє собою планову собівартість розробки апаратного засобу й складається на весь обсяг робіт.

Кошторис витрат

Статті витрат	Сума (грн.)	Структура витрат, в % до підсумку
1. Матеріали основні й допоміжні	11000	3.4%
2. Покупні комплектуючі вироби	11000	3.4%
3. Амортизація основних фондів	6050	1.9%
4. Витрати на оплату праці	82640	25.8%
5. Відрахування на соціальні програми	32230	10.0%
6. Інші витрати	12400	3.9%
7. Накладні витрати	165280	51.6%
Всього витрат:	320600	100%

Матеріали основні й допоміжні

На цю статтю ставляться витрати на придбання й доставку основних і допоміжних матеріалів, необхідних для дослідно-експериментального пророблення розв'язку, для виготовлення дослідного зразка встаткування.

Сюди включаються як вартість матеріалів, що витрачаються при виготовленні зразків, так і матеріалів, необхідних для оформлення необхідної документації (ватман, калька, канцелярські матеріали й т.п.). На цю статтю ставляться транспортно-заготівельні витрати по їхній доставці. Розмір ТЗР визначається в % від вартості основних і допоміжних матеріалів, прийнятих на підприємстві (у середньому 10%).

Розрахунки вартості матеріалів

Найменування й марка матеріалу	Сума (грн.)	Примітка
1. Матеріали, необхідні для оформлення документації	3000	Усі необхідні матеріали ухвалюються за умовну одиницю
2. Матеріали, необхідні для виготовлення дослідного зразка	7000
Разом витрат:	10000
3. Транспортно-заготівельні витрати	1000
Всього витрат:	11000

Покупні комплектуючі вироби.

На цю статтю ставиться вартість використовуваних при проробленні розв'язку мікросхем, рознімань, конденсаторів, сполучних проводів і т.п.

Розрахунки вартості покупних комплектуючих виробів

Найменування комплектуючих виробів	Сума (грн.)
1. Деталі (список)	10000
Разом витрат:	10000
2. Транспортно-заготівельні витрати	1000
Всього витрат:	11000

Амортизація основних фондів

По цій статті враховуються витрати, пов'язані з експлуатацією при проробленні розв'язки спеціального устаткування: комп'ютери, стенди, тестове встаткування й т.п. Розрахунки цих витрат проводиться по формулі:

В_ам= k_б На Д_т / Д_q,

де:

k_б - балансова вартість устаткування, грн.,

На - річна норма амортизації на повне відновлення,

Д_т - тривалість експлуатації встаткування при проробленні (дні),

Д_q - дійсний (ефективний) річний фонд часу (дні).

Розрахунки витрат на амортизацію

Найменування устаткування	Балансова вартість, грн.	Норма амортизації, %	Вартість амортизації на тему, грн.
1.Устаткування (список)	150000	12.5%	6050
Всього:			6050

В_ам= 150000 0.125 ( (80/ 248)= 6050 грн.

Витрати на оплату праці

По статті враховуються виплати по заробітній платі за виконану роботу, обчислені на підставі тарифних ставок і посадових окладів, відповідно до прийнятої в організації-розроблювачі системою оплати праці.

Крім того, по даній статті можуть відбиватися премії за виробничі результати, надбавки й доплати за умови праці, оплата щорічних відпусток, виплата по районних коефіцієнтах і деякі інші витрати.

Взп= Зот (1 + К_п + К_д + До + К_р),

де:

Зот- заробітна плата відповідального виконавця по тарифу або окладі за відпрацьований час. (Зот= Т_д Д, де Т_д - середньоденна заробітна плата виконавців, грн., Д - кількість днів, відпрацьованих виконавцем при проробленні).

К_п - коефіцієнт преміальних доплат, прийнятий в організації розроблювачі.

К_д - коефіцієнт, що враховує надбавки й доплати за умови праці, прийнятий в організації-розроблювачі.

До - коефіцієнт, що враховує оплату щорічних відпусток, прийнятий в організації-розроблювачі.

К_р - коефіцієнт районних доплат, рівний 0.15.

Розрахунки витрат на оплату праці

Виконавці	Кількістьвиконавців	Сумарна трудомісткість робіт з теми (дні)	Денна тарифна ставка, грн.	Сума тарифної заробітної плати	Загальна сума заробітної плати
Інженер - перекладач	2	34	300	23800	38080
Інженер - системотехнік	3	66	250	16500	26400
Інженер - схемотехник	1	37	200	7350	11760
Інженер - конструктор	1	20	200	4000	6400
Всього:	7	157		51650	82640

Відрахування на соціальні потреби

Стаття враховує відрахування організації-розроблювача в позабюджетні державні фонди (пенсійний фонд, фонд зайнятості, фонд соціального страхування й фонд обов'язкового медичного страхування).

В_сн= В_зп Н_сн,

де:

В_зп - сумарні витрати на оплату праці, грн.

Н_сн - норматив відрахувань на соціальні потреби.

В_сн= 82640 0.39 = 32229,60 грн., округляючи, одержимо:

В_сн = 32230 грн.

Накладні витрати.

Стаття враховує витрати організації-розроблювача на зміст апарата керування, що обслуговує персоналу, витрати на охорону, зміст будинків і споруджень, поточний ремонт, витрати на опалення й висвітлення й т.п.

В_нр= В_зп К_нр,

де:

К_нр - коефіцієнт накладних витрат, прийнятий в організації-розроблювачі.

В_нр = 82640 2 = 165280 грн.

Інші витрати

Це стаття передбачає витрати, не передбачені в інших статтях витрат, які можна віднести на дану тему прямим рахунком. Це можуть бути витрати організації-розроблювача, пов'язані з експлуатацією ОЦ, виробничими відрядженнями й т.п.

В_ін= В_зп К_ін,

де:

К_ін - коефіцієнт інших витрат, приймемо його рівним 15%.

В_ін= 82640 0.15 = 12396, округляючи, одержимо:

В_ін= 12400 грн.

8. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА. ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ПАХ СТРУКТУР

У виробництві пристроїв, що працюють на акустичних хвилях, використається фотолітографічний процес (рис.8.1); приблизно таким же способом виготовляються інтегральні схеми. Єдина різниця полягає в тім, що в акустичних датчиках немає переходів.

Рисунок 8.1 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 8 наведено коефіцієнти чутливості деяких матеріалів, за якими можна визначити чутливість частоти (періоду) ПАХ до зовнішніх впливаючих факторів: деформацій _ij звукопроводу KeSp_ij, його температури T та обертання основи :

f/f_n⁰KeSp_ij+KtT+Kk/f_n⁰-L/L₀.

Таблиця 8

Коефіцієнти чутливості звукопроводу ПАХ

Матеріал звукопроводу	f0n, МГц	Ke	Kt104, 0C	Kk
		Експеримент	Розрахунок	Експеримент	Розрахунок	Експеримент	Розрахунок
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. 8.1). 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.

Фотолітографія, спосіб формування рельєфного покриття заданої конфігурації за допомогою фоторезисту (спеціальний матеріал, що змінює свої фізико-хімічні властивості при опроміненні світлом). Фотолітографія звичайно включає:

1) нанесення фоторезисту на метал, діалектик або напівпровідник методами центрифугування, напилювання або сублімації;

2) сушіння фоторезисту при 90-110 ⁰C для поліпшення його адгезії до підкладки;

3) експонування фоторезисту видимим або УФ випромінюванням через фотошаблон (стекло, кварц й ін.) із заданим малюнком для формування схованого зображення; здійснюється за допомогою ртутних ламп (при контактному способі експонування) або лазерів;

4) прояв (візуалізацію) схованого зображення шляхом видалення фоторезисту з опроміненої (позитивне зображення) або неопроміненої (негативне) ділянки шару вимиванням водно-лужними й органічними розчинниками або сублімацією в плазмі високочастотного розряду;

5) термічну обробку (дублення) отриманого рельєфного покриття (маски) при 100-200 ⁰C для збільшення його стійкості при травленні;

б) травлення ділянок вільної поверхні травителями кислотного типу (напр., на основі HF, NH₄F або CH₃COOH) або сухими методами (напр., галогеновмісткою плазмою);

7) видалення маски розчинниками або випалюванням кисневою плазмою. Масштаб передачі малюнка фотошаблона звичайно 1:1 або 5:1 й 10:1 (при проекційному способі експонування).

При виготовленні інтегральних схем процес повторюють багаторазово на різних технологічних шарах матеріалу й при цьому кожний наступний малюнок повинен бути сполучений із попереднім.

Часто для додання фоторезистному покриттю специфічних характеристик (підвищення стійкості до травителей, зменшення відбиття випромінювання від підкладки, планаризація рельєфу й ін.) формують багатошарові покриття, у яких один із шарів, звичайно верхній, є власно фоторезистом, а інші мають допоміжні функції. Двошарове покриття сформовано й в одношаровому фоторезисті шляхом локальної хімічної модифікації поверхні.

Основними вимогами до фотолітографії:

§ висока розв'язна здатність;

§ мінімальна дефектність;

§ висока продуктивність.

Існує кілька різновидів фотолітографії. Метод прямої фотолітографії передбачає нанесення суцільної плівки матеріалу тонкоплівочного елемента, формування на його поверхні фоторезистної контактної маски, втравлювання через вікна у фоторезисті зайвих ділянок плівки. Контактна маска з фоторезисту або іншого матеріалу, більш стійкого до наступних технологічних впливів, відтворює малюнок фотошаблона із плівки.

Експонований фоторезист віддаляється (розчиняється) після чого плівка резистивного матеріалу стравлюється з ділянок, не захищених фоторезистом. Далі на підкладці у вакуумі наноситься суцільна плівка алюмінію. Після фотолітографії й травлення алюмінію провідна плівка залишається в областях контактних площадок і провідників. При цьому сформовані на попередньому етапі резистори не ушкоджуються. Після нанесення поверх провідних елементів і резисторів захисного шару скла проводиться ще одна, третя фотолітографічна обробка, у результаті якої стекло віддаляється з областей над контактними площадками, а також по периметрі плати.

Метод зворотної (підривний) фотолітографії відрізняється від попередніх тим, що спочатку на підкладці формується контактна маска, потім наноситься матеріал плівкового елемента, після чого виробляється видалення контактної маски.

При фотолітографічному методі для виготовлення ГИС, що містять резистори й провідники, використають два технологічних маршрути. Перший варіант - напилювання матеріалу резистивної і провідної плівок; фотолітографія провідного шару; фотолітографія резистивного шару; нанесення захисного шару. Другий варіант - після проведення перших двох операцій, тих же що й у попередньому варіанті, спочатку здійснюють фотолітографію й травлення одночасно провідного й резистивного шарів, потім другу фотолітографію для підбурення провідного шару в місцях формування резистивних елементів, після чого наносять захисний шар й фотолітографію для розкриття вікон у ньому над контактними площадками.

9. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА. ЗАХИСТ ВІД ВРАЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИМ СТРУМОМ

Дiя електричного струму на оpганізм людини. Широке використання електроенергії у всiх галузях народного господарства та у побуту приводить до значного розширення кола осiб пов'язаних з експлуатацiєю електроустановок.

Електроустановками називається сукупнiсть машин, лiнiй, допомiжного обладнання (разом з спорудами та примiщеннями, у яких вони встановленi), призначенi для виробництва, перетворення, трансформацiї, передачi, розподiлу електроенергiї та перетворення її у iншi види енергiї.

Порушення вимог електробезпеки при роботi на електроустановках, як правило, приводить до електротpавм.

Електротpавма - травма, викликана впливом електричного струму або електричної дуги.

Кількість нещасних випадкiв з смертельним наслідком при електpотpавматизмі найбiльше (складає близько 40 %), при загальній кількості біля 1%.

Виникнення електротpавм може бути викликано:

- дотиком до частин, що проводять струм;

- дотиком до апаратiв, що знаходяться у аварiйному режимi;

- попаданням пiд напругу кроку;

- наближенням до апаратiв високої напруги (поразка електричною дугою).

В порiвняннi з iншими видами нещасних випадкiв електротpавматизм має такi особливостi:

Людина не може визначити дистанційно наявнiсть напруги. Електричний струм дiє не тільки в місці контакту, а - на весь органiзм у цiлому. Людина може отримати електротравму без безпосереднього контакту з струмопровідними частинами ( попадання під напругу кроку, враження через електричну дугу). Види дiї електричного струму.

Електричний струм може викликати:

- термiчну (опiк);

- хiмiчну (змiни складу кровi);

- механiчну (розрив тканин);

- бiологiчну (подразнення та порушення живих тканин органiзму, фібриляція серця) та

інші дiї.

Електротравми бувають:

1. Мiсцевi електричні травми - електричні опiки, електричні знаки або мiтки (круглi або овальні плями на тiлi у мiсцях входу та виходу електричного струму), металізація шкiри, електроофтальмію (опiк роговиці очей).

2. Загальнi - електричний удар, при якому вражається весь органiзм через порушення ноpмальної дiяльностi життєво важливих органiв. Проявляється у виглядi фібриляції серця хаотичного скорочення волокон серцевих м'язів), зупинки дихання та електричного шоку - своєрідна нервово-рефлекторна реакція організму у відповідь на сильне роздратування електричним струмом.

Фактори, що впливають на наслідки враження електричним струмом. Характер дії електричного струму на організм людини та важкість враження залежить від слідуючих основних факторів: сили струму, протекаючого через тіло людини, тривалості його дії, роду і частоти струму, шляху струму у тілі людини, індивідуальних властивостей людини.

Сила струму, що проходить через тiло людини, (Ih), являється основним фактором обумовлюючим наслідок враження. Різні по величині струми оказують різну дію на організм людини.

Розрізняють відчутні, невідпускаючі та фібриляційні струми, порогові значення яких приведені у таблиці 9.



Невідпускаючий струмом характеризується тим, що при проходженні через тіло людини, викликає судорожні скорочення м'язів руки, в яких зажат провід. Фібріляційний струм характеризується тим, що при проходженні через тіло людини, викликає - фібриляцію серця. Струм більш 5 А (50 Гц) як змінний так і постійний викликає миттєву зупинку серця.