автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Энергонезависимые дистанционные датчики на поверхностных акустических волнах с внешними чувствительными элементами

На правах рукописи

Труфанова Галина Владимировна

ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЕ ДИСТАНЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С ВНЕШНИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2005

Работа выполнена в ФГУП «ФНПЦ Научно-исследовательский институт измерительных систем им Ю.Е.Седакова»

Научный руководитель - д.т.н., профессор Никулин С М. Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Мельников Владимир Иванович, к.т.н., Жуков Дмитрий Витальевич.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»), С аров.

Защита состоится 22 декабря 2005 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.165.01 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г.Н Новгород, ГСП-41, ул.Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан "/У ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор

ВАКалмык

Ж1£ амтп

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всем мире особое внимание уделяется повышению надежности и безопасности важных объектов Своевременный контроль состояния этих объектов позволит не только прогнозировать развитие опасных ситуаций, но и предотвращать их. В связи с этим роль датчиков является определяющей. От их характеристик зависит надежность и достоверность получаемой информации

Одним из путей повышения надежности получения информации при аварийных ситуациях в случае повреждения проводных линий связи, а также отключения электропитания, является оснащение объектов энергонезависимыми датчиками с радиочастотным съемом информации

Цель работы состоит в разработке принципов построения акустоэлектронных энергонезависимых датчиков физических величин с использованием различных индуктивных, емкостных и резистивных внешних чувствительных элементов.

Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе теории распространения акустических волн в твердых телах, теории радиотехнических цепей и сигналов, методах компьютерного моделирования, методах эквивалентных схем. В экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент.

Натчная новизна.

1 Предложены и исследованы принципы построения нового класса дистанционных энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами и амплитудной модуляцией на основе:

• вариации коэффициента акустического отражения,

• управления энергией возбуждения ПАВ.

2. Исследовано влияние величин импедансов активной и реактивной нагрузок на коэффициент отражения ПАВ от структуры встречно-штыревого преобразователя с целью оценки возможности управления амплитудой информационного сигнала.

3 Предложено использование трансформации сопротивлений отрезком длинной линии для исследования и построения датчиков на ПАВ с внешними резистивными и емкостными чувствительными элементами.

4 Впервые теоретически обосновано изменение амплитуды информационного сигнала путем управления энергией возбуждения преобразователей внешней нагрузкой.

5 Новизна работы подтверждена патентами на изобретения конструкций датчиков, основанных на принципах, предложенных в работе.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки конструкций датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами, обладающих улучшенными техническими характеристиками

Практическое использование. Результаты работы использованы при выполнении НИР по разработке датчиков температуры и давления в интересах государственного концерна "Росэнергоатом", а также датчиков контроля критических значений ускорения и температуры для контейнеров, предназначенных для транспортировки опасных грузов в соответствии с требованиями РФЯЦ - ВНИИЭФ и РФЯЦ-ВНИИТФ.

Обоснованность и достоверность результатов работы основаны на использовании известных способов математического описания волновых процессов в ПАВ структурах Обоснованность предлагаемых в работе принципов построенйя датчиков подтверждается соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований. Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными испытаниями макетных образцов энергонезависимых дистанционных датчиков на ПАВ

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• "Автомир XXI века Маркировка и идентификация автомобилей и составных частей к ним ", Научно-практическая конференция. Москва, 2001;

• Научно-техническая конференция организаций, входящих в Ядерное общество России, Н.Новгород, 2001 г;

• "Голубая Ока", 7-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н Новгород, 2002 г;

• "Будущее технической науки Нижегородского региона", региональный молодежный научно-технический форум, Н Новгород, 2002,

• "Датчики и детекторы для АЭС", Научно-техническая конференция Пенза,

2002 г;

• "Экологическая и промышленная безопасность" 2 сессия школы-семинара, Саров, 2003 г;

• "Голубая Ока", 8-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н Новгород,

2003 г;

• "Будущее технической науки Нижегородского региона", П региональная молодежная научно-техническая конференция, Н Новгород, 2003 г,

• Областной конкурс научно-технического творчества молодежи, Н.Новгород, 2002 г.

• "Радиационная безопасность: Атомтранс - 2003 Транспортирование радиоактивных материалов", VI Международная конференция, г Санкт-Петербург, 2003 г.

• "Датчики и детекторы для АЭС", П Всероссийская научно-техническая конференция, Пенза, 2004 г;

• "Безопасность ядерных технологий. Обращение с радиоактивными отходами", VII международная конференция. Санкт-Петербург, 2004 г;

• "Средства аналитики, диагностики и системы автоматизации для ТЭК и атомной энергетики", Седьмой межотраслевой научно-технический семинар. Краснодарский край, Большой Сочи, 2005 г.,

• "Датчики и системы - 2005", Международная научно-техническая конференция. Пенза, 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, получено 6 патентов на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 78 наименований и 4 приложений. Общий объем работы - 130 страниц. На защиту выносится;

1 Принципы построения нового класса дистанционных энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами и амплитудной модуляцией на основе:

• вариации коэффициента акустического отражения,

• управления энергией возбуждения ПАВ.

2. Результаты анализа влияния способов подключения и величин импедансов индуктивных, резистивных и емкостных нагрузок линии задержки на ПАВ на амплитуду информационного сигнала.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик датчиков на ПАВ с внешними резистивными и емкостными чувствительными элементами с использованием трансформирующих свойств отрезка длинной линии

4. Результаты экспериментальных исследований акустоэлектронных датчиков физических величин, функционирующих на предложенных принципах.

5. Конструктивные решения для построения энергонезависимых дистанционных датчиков физических величин на ПАВ с внешними чувствительными элементами.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, определена цель исследований, указаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние разработок дистанционных беспроводных энергонезависимых датчиков, использующих различные физические эффекты, в том числе и акустоэлектронных датчиков на ПАВ устройствах.

Выявлено, что работа датчиков на ПАВ основана на использовании эффектов второго порядка, которые для традиционного применения устройств на ПАВ в качестве линий задержек, фильтров, резонаторов являются нежелательными и с ними борются как конструктивными, так и расчетно-аналитическими методами. К ним относятся: взаимодействие ПАВ с внешней электрической цепью, а также чувствительность характеристик материала

зЬукопровода к влиянию внешних дестабилизирующих факторов: температуры, давления, влаги (рис.1).

Измеряемая

Входной величина Выходной Входной Выходной Измеряемая ВШП ,,, ВШП ВШП ВШП величина

/

Пьезоэлектрический кристалл Пьезоэлектрический ^^^^^

а) кристалл

Рис.1. Эффекты управления параметрами ПАВ:

а - эффект чувствительности пьезоэлектрической подложки; б - эффект влияния внешней электрической цепи

Эффект чувствительности пьезоэлектрической подложки имеет ограниченное использование, поскольку не предполагает работу в агрессивных средах и проведение пороговых измерений с фиксацией значений физических величин.

В диссертационной работе рассмотрено влияние внешней электрической цепи, подключенной к выходному ВШП линии задержки, позволяющего управлять амплитудой выходного сигнала с помощью внешних чувствительных элементов. В этом случае линия задержки является преобразователем состояния подключенного к ней чувствительного элемента в информационный сигнал и Может быть герметизирована для исключения влияния внешних дестабилизирующих факторов. Такие датчики, свободны от недостатков, присущих датчикам с использованием чувствительности подложки.

Обзор состояния разработок датчиков с внешними чувствительными элементами показал, что в литературных источниках практически отсутствует описание результатов теоретических исследований влияния импедансов чувствительных элементов на амплитуду информационного сигнала Однако, зкание таких зависимостей является необходимым условием для разработки конструкций датчиков с различными индуктивными, резистивными и емкостными чувствительными элементами.

В первой главе рассмотрена работа системы дистанционного контроля с использованием энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами (рис.2) Базовая станция производит опрос датчика посредством периодической последовательности импульсных радиосигналов. В ответ на каждый из импульсов запроса датчик переизлучает модулированный сигнал в соответствии со значением измеряемой физической величины. Информационный сигнал формируется за счет отражения ПАВ от выходного ВШП, связанного с внешним чувствительным элементом. Для устранения зависимости параметров информационного сигнала от условий его прохождения по радиоканалу в датчике осуществляется формирование опорного сигнала за

счет отражения ПАВ от опорного ВПШ. Базовая станция принимает и обрабатывает приходящий информационный сигнал.

V

Базовая станция

сигнал запроса

опорный информационный ^ сигнал \.си?/вл

'КЧгсл«., н Л_

опорный

V

■ходноЯ

аыходной ВШП

эхо-сигналы от окружения базовой станции 3 мкс

лмюалактричоский кристалл

И1ИП1ИЙ _

чуктмтальиый

Рис.2. Блок-схема системы дистанционного контроля

Используя уравнение радиолокации при дальности съема информации порядка 10 м и оптимальных параметрах базовой станции, определен допустимый уровень потерь в датчике, который составил 50 дБ.

На основании изложенного, для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

- исследование влияния изменения величины индуктивных, емкостных и резистивных нагрузок на коэффициент отражения ПАВ от структуры встречно-штыревого преобразователя с целью определения потенциальных возможностей датчиков с различными чувствительными элементами;

- исследование возможности использования отрезка длинной линии для трансформации сопротивлений внешних чувствительных элементов с целью расширения динамического диапазона информационного сигнала и рабочих диапазонов вариации величин нагрузок;

- исследование возможности управления энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой для создания датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами;

- сравнение эффективностей датчиков, основанных на принципе вариации коэффициента акустического отражения и принципе управления энергией возбуждения ПАВ внешними чувствительными элементами;

- экспериментальные исследования макетных образцов датчиков, разработанных по результатам диссертационной работы.

Во второй главе исследована возможность построения акустоэлектронных датчиков с изменением коэффициента акустического отражения ПАВ внешними чувствительными элементами.

Для решения поставленной задачи в диссертационной работе рассмотрена модель ВПШ с подключенной нагрузкой. Выявлено, что отраженная волна от преобразователя возникает как в результате взаимодействия с электродной

структурой, так и в результате несогласованности с внешней нагрузкой. Доминирующей причиной отражений от ВШП для сильных пьезоэлектриков, таких как ниобат лития, является обратный пьезоэлектрический эффект, приводящий к регенерации вторичных ПАВ. Коэффициент акустического отражения, зависит от конструктивных параметров преобразователя, от материала звукопровода, а также от проводимости нагрузки преобразователя в соответствии с выражением:

К (V 1 =_СЛас)__

отр \—н) ^ , . г , (5)

где Ун - проводимость нагрузки;

ко - волновое число на свободной поверхности; Ь - длина преобразователя.

Исходные данные и параметры преобразователя представлены в таблице 1. _____Таблица 1

центральная частота акустического синхронизма £ = 300 МГц

скорость ПАВ и0 =3992 м/с

длина волны ПАВ ХпАВ = 12 мкм

апертура ВШП \У=1,2 мм

число периодов электродов ВШП ЫР=4

относительная диэлектрическая проницаемость ниобата лития, 128° еРт/ео=50,2

число электродов на период = 2

параметр пьезоэлектрической связи "0-"41-2,72%

степень металлизации а/р=1/2

волновое число на свободной поверхности ко=5.3-105

номер гармоники М=1

нормированная проводимость См =2,871

нормированная емкость Ст=1

активная составляющая акустической проводимости ВШП 0„(й>с) = 1,28 10"5

статическая емкость преобразователя: Ст =2.175 10-|2Ф

сопротивление излучения Д„(й)с) = 69,4540м

С целью определения влияния коэффициента акустического отражения на амплитуду информационного сигнала, составлены эквивалентные схемы линии задержки с нагрузкой (рис.3), в которых входной и выходной преобразователи представлены последовательными схемами замещения.

Рис. 3. Эквивалентные схемы подключения линнн задержки с нагрузкой:

а - в момент воздействия зондирующего импульса; 6 - через удвоенное время прохождения акустической волны по подложке

Анализ эквивалентных схем показал, что амплитуда информационного сигнала, формируемого на сопротивлении антенны через удвоенное время задержки, пропорциональна модулю коэффициента акустического отражения.

На рис 4 представлены зависимости модуля коэффициента акустического отражения и амплитуды информационного сигнала от величин резистивной, емкостной и индуктивной нагрузок. Для сравнительной оценки полученных зависимостей, введен уровень квантования информационного сигнала, равный 6 мВ и соответствующий двойному превышению над уровнем шума.

В соответствии с введенным порогом определено число регистрируемых состояний на линейных участках функциональных зависимостей (рис.4), а также диапазоны изменения резистивных, емкостных и индуктивных нагрузок (таблица 2).

Установлено, что коэффициент акустического отражения принимает максимально достижимое единичное значение при индуктивной нагрузке, величиной 0.13 мкГн, компенсирующей статическую емкость преобразователя на центральной частоте. Таким образом, при подключении индуктивного чувствительного элемента реализуется потенциальная возможность по максимальному динамическому диапазону информационного сигнала в 32 дБ и 21-му различимому состоянию чувствительного элемента

1КотЫ I

в)

Рис. 4. Зависимости модуля коэффициента акустического отражения и амплитуды информационного сигнала от величин:

а - сопротивления б - емкости Сн; в - индуктивности Ь

Выходной ВШП

Для расширения динамического диапазона информационного сигнала и

увеличения числа регистрируемых состояний для датчиков с резистивными и емкостными чувствительными элементами в диссертационной работе предложено использование отрезка длинной линии (рис. 5). Применение коаксиального кабеля полезно и в случае расположения чувствительных

элементов на некотором расстоянии от устройства на ПАВ, в связи, с чем возможно проведение измерений в труднодоступных местах или агрессивных средах.

Рис. 5. Подключение нагрузки к ВШИ через коаксиальный кабель

Получены зависимости модуля коэффициента акустического отражения от длины кабеля с изменяющимся сопротивлением резистивной нагрузки (рис.6) и от значения емкости при различных длинах кабеля (рис.7). Установлено, что резонансные явления возрастания коэффициента акустического отражения наблюдаются при длинах кабеля, входной импеданс которого имеет оптимальное индуктивное значение.

Рис. 7. Зависимость коэффициента

акустического отражения от значения емкости при различных длинах коаксиального кабеля

Рис. 6. Зависимость коэффициента акустического отражения от длины кабеля при различных сопротивлениях нагрузки

Таким образом, можно утверждать, что подключение резистивных и емкостных чувствительных элементов через отрезок коаксиального кабеля позволит реализовать потенциальную возможность по максимальному динамическому диапазону в 32 дБ и 21-му числу регистрируемых состояний. Кроме того, расширяется рабочий диапазон величин нагрузок.

Во второй главе проведены экспериментальные исследования влияния активной и реактивной нагрузок на коэффициент акустического отражения. Схема эксперимента приведена на рис. 8.

Входной

Выходной

/' (ХмМОД

Рис.8. Схема эксперимента

Экспериментальная зависимость (рис. 9) подтверждает возрастание амплитуды отраженного сигнала с ростом сопротивления резистора. Отклонение экспериментальных результатов от теоретических объясняется влиянием реактивных параметров резистора и параметров монтажа.

Рис.9. Зависимость коэффициента акустического отражения от величины

сопротивления

Исследования влияния величины реактивной нагрузки на амплитуду выходного сигнала проведена с использованием отрезка коаксиального кабеля с изменяемой длиной X, разомкнутого на конце, имитирующего индуктивную или емкостную нагрузку ВШП.

Экспериментальные результаты (рис.10) подтвердили характер теоретических зависимостей влияния величин индуктивной и емкостной нагрузок на коэффициент акустического отражения.

|Котр(Ц 1

|Котр(С)|

0,4

1 1-,мкГн о

V 0,2 0.3 0.4 0£ 0*

5 10 15 20 25 30 35

С.ПФ

Рис. 10. Зависимость коэффициента акустического отражения от:

а - индуктивности; б - емкости

Основной результат проведенных исследований в Главе 2, заключается в том, что изменение величины резистивной, емкостной и индуктивной нагрузки, подключенной к выходному преобразователю, приводит к вариации коэффициента отражения поверхностной акустической волны и, как следствие, к изменению амплитуды информационного сигнала. Таким образом, в диссертационной работе предложен принцип построения дистанционных энергонезависимых датчиков с внешними чувствительными элементами, основанный на вариации коэффициента акустического отражения внешней нагрузкой.

Новизна данного принципа подтверждена патентом на конструкцию датчика давления и температуры, а также патентом на вариант датчика механических величин.

В третьей главе рассмотрено подключение внешних чувствительных элементов между преобразователями линии задержки на ПАВ (рис.11).

Измеряемая величина

Входной ВШП

Внешний

чувствительный

элемент

Пьезоэлектрический кристалл

Выходной ВШП

Рис 11. Подключение внешних чувствительных элементов между преобразователями

С помощью эквивалентных схем, представленных на рис. 12, в диссертационной работе проведен анализ влияния величины импеданса нагрузки, подключенной между преобразователями.

2н

Ьс

<2Н

Первый ВШП

Второй ВШП

а)

Первый ВШП

.......

Второй ВШП

б)

Рис. 12. Эквивалентная схема линии задержки с нагрузкой:

а - в момент воздействия зондирующего импульса; б - через время задержки

На основе анализа эквивалентных схем получены зависимости амплитуд импульсов однократного и двойного прохождения ПАВ от величины индуктивной, емкостной и резистивной нагрузок (рис. 13).

№ ♦

.18 •■

-50------

А*, Ом

В)

£ис. 13. Зависимость амплитуд импульсов однократного и двойного прохождения от значении нагрузки при:

а - 2.н =1<вс Ьн\ 6-гя =-—— ;в -Ън^Кн

¡■<всСн

Из анализа полученных зависимостей (рис.13) установлено, что потенциальная возможность по динамическому диапазону в 32 дБ и 21-му регистрируемому состоянию чувствительного элемента реализуется как для реактивных, так и активных нагрузок.

В соответствии с линейными участками полученных функциональных зависимостей определены оптимальные диапазоны изменения величин нагрузки, количество регистрируемых состояний, а также динамические диапазоны информационного сигнала (таблица 2).

Результаты проведенных исследований показали, что включение между входным и выходным ВШП чувствительных элементов с изменяемым импедансом приводит к перераспределению энергии возбуждения ПАВ и

соответственно к изменению амплитуды информационного сигнала На основании этого в диссертационной работе впервые предложен принцип построения датчиков с внешними чувствительными элементами, основанный на управлении энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой. Новизна данного принципа подтверждена патентом на конструкцию датчика механических величин.

В третьей главе проведена также сравнительная оценка эффективности формирования информационного сигнала с датчиков, работа которых основана на предложенных в диссертационной работе принципах, в ходе которой установлена равнозначность их потенциальных возможностей (таблица 2). Применение тех или иных чувствительных элементов зависит от конструктивных особенностей и дополнительных требований, предъявляемых к датчикам.

Таблица 2

Тип чувствительного элемента Принцип вариация коэффициента акустического отраженна Принцип управления энергией возбуждения ПАВ

число динамич состо- диапазон, яний дБ диапазон изменения нагрузок число состояний динамич диапазон дБ диапазон изменения нагрузок

Индуктивный 21 | (-18)-(-50) 16 нГн-0.13 мкГн 14 (-18)-(-30) 16нГн-0.13 мкГн

12 ; (-18)-| (-26) 0.13 мкГн-0.4мкГн

Ёмкостной непоср. подключение 3 | (-32)-( (-44) 1 пФ — 10 пФ 11 (-20)-(-26) 1пФ-6 пФ

через коакс. кабель 21 | (-18)-1 (-50) 1пФ-1нФ

Резис- тив- ный непоср. подключение 5 1 (-30)-| (-50) 20 Ом-500 Ом 14 (-18)-(-30) 10м-500 Ом

через коакс. кабель 21 (-18)! (-50) 20 Ом-ЮкОм 10м-150 Ом

Пороговый 2 (-18)-(-50) Ьсога || Ин, Ян = 0, оо 2 (-18)-(-50) 11н=0,оо

Четвертая глава посвящена практической реализации датчиков физических величин с внешними чувствительными элементами, разработанных на основе принципов, предложенных в диссертационной работе.

На основе принципа вариации коэффициента акустического отражения разработаны датчик давления, двухпороговый датчик температуры и аналоговый датчик температуры.

В датчике давления (рис. 14) выходной преобразователь подключен к катушке индуктивности, величиной 0.13 мкГн, рассчитанной в теоретической части диссертации. Значение индуктивности изменяется за счет перемещения ферритового сердечника в зависимости от давления измеряемой среды. Характеристики датчика представлены на рис 15.

л щ 4

Рис. 14. Внешний вид датчика давления

1 - линейная аппроксимация экспериментальной зависимости;

2 - верхняя граница доверительного интервала;

3 - нижняя граница давление' атм ' Доверительного интервала.

Рис. 15. Зависимость изменения амплитуды отраженного сигнала от давления

В теоретической части показана возможность проведения пороговых измерений с использованием принципа вариации коэффициента акустического отражения. В соответствии с этим, разработан двухпороговый датчик температуры (рис.16), в котором выходные преобразователи соединены с катушками индуктивности, имеющие величины 0.13 мкГн, рассчитанные в теоретической части. Параллельно катушкам индуктивности подключены чувствительные элементы в виде температурных реле, которые изменяют свое сопротивление от нуля до бесконечности при превышении пороговых значений температуры.

1 - первый отраженный импульс,

2 - второй отраженный импульс;

3 - зондирующий импульс

Шкала вертикального отантния 20 мОДвл

Рис. 16. Внешний вид и осциллограммы отраженных сигналов двухпорогового датчика температуры

Использование трансформирующих свойств отрезка коаксиального кабеля реализовано в аналоговом датчике температуры, в котором к выходному преобразователю подключался через коаксиальный кабель терморезистор. С увеличением температуры до 100°С сопротивление терморезистора уменьшалось от 270 до 10 Ом. Длина отрезка коаксиального кабеля определена в соответствии с результатами теоретических исследований. Характеристики датчика представлены на рис. 17.

гОч.

•к.

1 - аппроксимация экспериментальной зависимости амплитуды отраженного сигнала от температуры;

2 - верхняя граница доверительного интервала;

3 - нижняя граница доверительного интервала.

о в т т «о та га>

температура?С

Рис.17. Зависимость изменения амплитуды отраженного сигнала от

температуры

На основе принципа управления энергией возбуждения ПАВ разработаны сигнализатор давления, сигнализатор температуры, датчик положения и датчик освещенности. Перечисленные конструкции датчиков созданы на базе кольцевого фильтра на ПАВ.

В теоретической части работы показана возможность перераспределения энергии возбуждения ПАВ между преобразователями с помощью переключателя, скачком изменяющего свое сопротивление от нуля до бесконечности (таблица 2). На этой основе разработаны пороговые датчики (рис. 18): сигнализатор давления, сигнализатор температуры, датчик положения. На конструкцию датчика положения получен патент на изобретение.

-сигнализатор давления

Исходное состояние

При достижении порогового значения 7 атм

- а атуры

Шкала вертикального отклонения 50 мВ/дел

Исходное состояние

При достижении М00*С

Исходное состояние

При достижении расстояния срабатывания

1 - импульс однократного прохождения,

2 - импульс двойного прохождения

3 - зондирующий импульс

Рис.18. Внешний вид и осциллограммы выходных сигналов пороговых датчиков с управлением энергией возбуждения ПАВ

На основе влияния сопротивления нагрузки, подключенной между преобразователями, на амплитуду информационного сигнала, разработан датчик освещенности (рис 19), в котором в качестве чувствительного элемента использован фотодиод, изменяющий свое сопротивление в зависимости от освещенности.

Рис. 19. Внешний вид и осциллограммы выходных сигналов датчика

освещенности

Результаты испытаний макетных образцов в составе системы дистанционного контроля подтвердили эффективность применения предложенных принципов построения акустоэлектронных датчиков физических величин с внешними чувствительными элементами и показали соответствие результатам теоретических исследований.

В заключении сформулированы основные результаты работы

1. Разработаны принципы построения акустоэлектронных энергонезависимых датчиков физических величин, основанных на вариации коэффициента акустического отражения и управления энергией возбуждения ПАВ внешними индуктивными, емкостными и резистивными чувствительными элементами.

2. Определены потенциальные возможности энергонезависимых дистанционных датчиков с внешними чувствительными элементами.

3. Показана эффективность и целесообразность использования трансформирующих свойств отрезка длинной линии для создания датчиков с внешними резистивными и емкостными элементами

4. Проведены экспериментальные исследования разработанных конструкций датчиков, основанных на предложенных принципах Результаты экспериментов подтвердили соответствие выполненным теоретическим исследованиям.

5. Получено 6 патентов на изобретения.

Основные публикации по теме диссертация

1. Труфанова ГВ , Киселёв В К, Князев НА Перспективы идентификации и контроля за перемещением и хранением радиоактивных отходов с использованием радиогранспондерной технологии// Научно-техническая конференция «Датчики и детекторы для АЭС»: Сборник докл. науч. - техн. конф. 11-13 сентября 2002 г -Пенза, 2002.-С. 92-95.

2. Труфанова ГБ, Киселёв BJC, Князев ИА, Тремасов НЗ. Перспективы дистанционной идентификации Объектов// Конверсия в машиностроении,- 2003. -№2. -С. 80-84.

3. Труфанова ГБ., Киселёв В.К, Князе» ИА Совершенствование методе» кошроля эксплуатационных параметров промышленно-опасных объектов// 2 сессия школы-семинара «Экологическая и промышленная безопасность»: Сборник докл. 16-19 декабря2002 г.- Сарсв, 2003. - С.91-94.

4. Труфанова ГБ, Князев ИА, Коспокевич ОН. Перспективы применения энергонезависимых датчиков на ПАВ для контроля ядерного топлива при перевозках и хранении// П Всероссийская научно-техническая конференция «Датчики и детекторы для АЭС»: Сборник докл. науч. -техн. конф. 31 мая-5 июня 2004 г. - Пенза, 2004. -С.61-64.

5. Труфанова Г.В., Киселёв BJC, Князев ИА Состояние разработки дистанционных, энергонезависимых датчиков температуры и давления для контроля параметров при эксплуатации АЭС// Научно-техническая конференция «Датчики и детекторы для АЭС»: Сборник докл. науч -техн. конф. 11-13 сентября 2002 г. - Пенза, 2002.-С.142-145.

6. Труфанова ГБ, Киселёв В.К, Князев ИА, Тремасов НЗ. Состояние разработки дистанционных энергонезависимых датчиков// Конверсия в машиностроении. - 2003. -№2.-С. 78-80.

7. Преобразователь температуры: RU 2235979/ ГВ.Труфанова, ВККиселев, ИАКнязев, САКомиссаров. -№2002134844; Заявл. 23.12.2002. Опубл. 10.09.2004 Бюл. №25.

8. Способ измерения температуры: RU 2240517/ ГВ Труфанова, ВККиселев, ИАКняэев, САКомиссаров. - № 2002133820; Заявл. 15.12.2002. Опубл. 20.11.2004 Бюл №32

9. Преобразователь температуры: RU 2240518/ГВ.Труфанова, ВЛСКиселев, ИАКняэев, САКомиссаров, ГНСемьин. - № 2002135352; Заявл. 30.122002. Опубл. 20.11.2004 Кол. №32

10. Труфанова ГБ., Киселёв BJC, Князев ИА Радиотранспондерные датчики физических параметров в исполнении для АЭС// Научно-техническая конференция организаций, входящих в .Ядерное общество России. Tea докл. 21-23 июня 2001 г. - ННсвгорсд, 2001.

11. Труфанова ГБ, Киселёв В.К, Князев ИА. Дистанционные энергонезависимые датчики температуры и давления для кошроля критических параметров опасных объектов// Седьмая сессия «Технические науки». Тез. докл. 6-10 февраля 2002 г., -Дзержинск, 2002-С. 148-150.

12. Труфанова ГБ, Киселёв BJC, Князев ИА Датчики на ПАВ устройствах для радиогранспондерной системы идентификации и контроля технологических параметров опасных объектов// Региональный научно-технический форум «Будущее технической науки нижегородского региона». Тез. докл. 21 марта 2002 г., -

ННсвгорсд. 2002-С45

13. Труфанова ГБ, Князев ИА Современные средства контроля и идентификации при обращении с РАО// VII международная конференция. Безопасность ядерных технологий. Обращение с радиоактивными отходами: Сборник докл. 27 сентября - 1 октября 2004 г. - Санкт-Петербург, 2004. - С 279-281.

14. Труфанова ГВ., Князев ИА, Ник; физических величин на поверхностны:

2003.-№10.-С. 8-13.

15. Труфанова ГВ., Князев ИА, Кисе) Принципы создания порогового дата Датчики и системы. - 2004. - № 1. - С21

16. Труфанова ГД Киселёв BJC, Князев пороговых датчиков на поверхностных техническая конференция «Будущее тех докл. 2003 г., - ННовгород,2003. -С. 26.

17. Труфанова ГЛ., Киселёв BJC, Князев ИА, Комиссаров С.А Датчик дистанционной ориентации объекта в пространстве//Восьмая сессия «Технические науки»: Tea докл. -Дзержинск, 2003.

18. Датчик механических величин (варианты): RU 2247954/ ГВ.Труфанова, В.ККиселев, ИАКнязев, патент № 2247954, приоритет от 06.05.2002. Опубл. 10.03.2005, Бюл. № 7.

19. Радиотраисповдерный датчик положения и ориентации: RU 2254595/ ГВ.Труфанова, В.ККиселев, ИАКнязев, С.АКомиссаров, - № 2002130174. Заяал. 11.11.2002. Опубл. 20.06.2005 Бюл. №17.

20. Труфанова ГВ., Киселёв BJC, Козлов В. А, Князя И А, Тремасов НЗ. Радиотрансповдерные системы идентификации автотранспорта^/Научно-практическая конференция «Автомир XXI виса Маркировка и идентификация автомобилей и составных частей к ним»: Тез. докл., - Москва, 2001.

21. Труфанова ГВ., Никулин СМ Влияние внешней нагрузки на амплитуду выходного сигнала в устройствах на поверхностных акустических волнах// Датчики и системы. -

2004.-№11.-С. 19-22.

22. Труфанова Г.В., Никулин СМ Анализ влияния внешней нагрузки на амплитуду выходного сигнала в устройствах на поверхностных акустических волнах// Труды НГТУ «Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства» - 2004. -том 44, вып. 9.- С. 91-95.

23. Датчик давления и температуры: RU 2247343/ ГВ.Труфанова, ВЮСисезкв, ИАКнязев, С.АКомиссаров, - № 2003103821; Заявл. 10.02.2003. Опубл. 27.02.2005 Бюл.№6.

24. Князев И А, Косткжевич ОН, Труфанова ГВ., Субботина НЕ. Энергонезависимый дистанционный датчик критических параметров//Международная научно-техническая конференция "Датчики и системы - 2005". Tea докл. 2005 г., - Пенза, 2005. - С. 50.

25. Труфанова Г.В., Князев И А, Никулин СМ Применение акустсолектронных датчиков для дистанционного измерения физических величин// Седьмой межотраслевой научно-технический семинар "Средства аналитики, диагностики и системы автоматизации для ТЭК и атомной энергетики". Тез докл. 2005 г., Краснодарский край, Большой Сочи,

2005.-С. 50.

Подписано в печать 7.11.2005. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 238/Г

Отпечатано в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова» 603950, Нижний Новгород, ГСП-486, ул. Тропинина, 47

»22 32«

РНБ Русский фонд

2006-4 20300

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Состояние и перспективы развития энергонезависимых дистанционных датчиков.

Ш 1.2 Дистанционные беспроводные энергонезависимые датчики на различных физических эффектах. 12

1.3 Акустоэлектронные датчики на ПАВ устройствах. 16

1.3.1 Анализ эффектов управления параметрами ПАВ. 16

1.3.2 Датчики на ПАВ с использованием чувствительности подложечного материала. 20

1.3.3 Датчики на ПАВ с внешними чувствительными элементами. 27

1.4 Дистанционный контроль физических параметров объектов с использованием энергонезависимых датчиков на ПАВ. 30

Ш 1.5 Выводы и постановка задач исследования. 34

ГЛАВА 2 Исследование возможности построения акустоэлектронных датчиков на основе вариации коэффициента акустического отражения ПАВ внешними чувствительными элементами. 38

2.1 Введение. 38

2.2 Преобразователь поверхностных акустических волн. 38

2.3 Модель ВШП с подключенной нагрузкой. 45

2.4 Исследование влияния коэффициента акустического отражения от выходного ВШП линии задержки на ПАВ на амплитуду информационного сигнала. 48

2.5 Анализ влияния величины нагрузки ВШП на коэффициент отражения ПАВ и амплитуду информационного сигнала. 51

Ф 2.6 Использование трансформации сопротивлений отрезком длинной линии для построения датчиков на ПАВ с резистивными и емкостными чувствительными элементами. 58

2.7 Экспериментальные исследования зависимости коэффициента ф акустического отражения от величины и характера нагрузок

ВШП. 64

2.8 Выводы. 69

ГЛАВА 3 Исследование изменения амплитуды выходного сигнала путем управления энергией возбуждения преобразователей внешней нагрузкой. 70 ф 3.1 Введение. 70

3.2 Исследование возможности управления энергией возбуждения ПАВ. 70

3.3 Исследование влияния внешней нагрузки между преобразователями на амплитуду выходного сигнала. 73

3.3.1 Импульс однократного прохождения. 74

3.3.2 Импульс двойного прохождения. 75

3.3.3 Анализ зависимостей амплитуд импульсов однократного и двойного прохождения от величины внешней ф нагрузки. 80 ф, 3.4 Сравнение эффективностей датчиков, основанных на принципе вариации коэффициента акустического отражения и принципе управления энергией возбуждения ПАВ внешней нагрузкой. 82

3.5 Применение кольцевого фильтра для построения датчиков на его основе. 85

3.6 Выводы. 90

ГЛАВА 4 Практическая реализация датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами. 91

4.1 Введение. 91

4.2 Методика исследований датчиков. 91

4.3 Датчики, основанные на принципе вариации коэффициента акустического отражения. 92

4.3.1 Датчик давления. 93

4.3.2 Двухпороговый датчик температуры. 96

4.3.3 Аналоговый датчик температуры. 99

4.4 Датчики с внешним управлением энергией возбуждения ПАВ. 102 4.4.1 Сигнализатор давления. 103

4.4.2 Сигнализатор температуры. 105

4.4.3 Датчик положения. 108

4.4.4 Датчик освещенности. 111

4.5 Испытания датчиков в составе системы дистанционного контроля. 114

4.6 Выводы. 115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 117

Библиографический список использованной литературы. 119

Приложение 1 Выписка из решения VI Международной конференции

Радиационная безопасность: АТОМТРАНС-2003.

Транспортирование радиоактивных материалов». 127

Приложение 2 Выписка из решения VII Международной конференции «Безопасность ядерных технологий: обращение с радиоактивными отходами». 128

Приложение 3 Программа оценки работоспособности макета системы дистанционного контроля и идентификации. 129

Приложение 4 Протокол испытаний системы дистанционного контроля и идентификации. 130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В сфере научно-исследовательских работ особая роль принадлежит государственному регулированию, которое учитывает особенности современной международной и внутренней ситуации и исходит из необходимости не допустить отставания от мирового уровня в развитии критических технологий в области важнейших видов наукоемкой продукции. Федеральная целевая программа «Национальная технологическая база» на 2002-2006 годы, измененная и дополненная на период до 2010 года и дальнейшую перспективу, определила основные направления развития науки, техники и промышленности. К ним, в частности, относится разработка акустоэлектронных технологий и компонентов, в том числе интегрированных датчиков, фильтров, преобразователей и других компонентов перспективных электронных систем, разработка технологий производства новых поколений акустоэлектронных и магнитоэлектронных устройств с минимальными размерами элементов.

Датчики как самостоятельные, конструктивно автономные средства измерений, размещаемые в месте отбора информации, исполняющие функцию преобразования измеряемой величины в электрическую или электромагнитную величину [1], стали важнейшими элементами информационно-измерительных систем, систем автоматического управления технологическими процессами и аналитических измерений. Потребность в датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, внедрением новых технологических процессов, переходом к гибким высокопроизводительным автоматизированным производствам [2].

Поиск новых типов средств измерительной техники в развитых странах осуществляется постоянно, при этом расширяется круг используемых материалов и технологий [3]. К настоящему времени стало совершенно ясным, что микроэлектронная технология вносит радикальные улучшения буквально во все типы датчиковой аппаратуры. Это приводит к тому, что традиционные принципы преобразования (тензорезистивный, пьезорезистивный, пьезоэлектрический, индуктивный, емкостный и др.) получают дальнейшее развитие вплоть до радикального улучшения метрологических и конструкторско-эксплуатационных характеристик, особенно таких как повышение надежности, уменьшение габаритных размеров и массы. Однако это требует нового мышления, ухода от стереотипных решений, использования при проектировании датчиков новых конструкционных материалов.

Роль датчиков, таким образом, является определяющей в любой измерительной системе. От их характеристик все в большей мере зависит надежность и достоверность получаемой информации. Технический облик датчиков в значительной степени влияет на уровень самих средств контроля и диагностирования, на степень их унификации. Поэтому развитие и совершенствование парка современных датчиков, а также разработка датчиков, основанных на новых принципах действия, можно выделить как одно из важнейших направлений повышения надежности и безопасности контролируемых объектов.

Данные задачи приобретают особую значимость в области разработки датчиковой аппаратуры для измерения параметров, определяющих физическое состояние особо важных объектов [4-10].

По информации, поступающей от датчиков можно прогнозировать развитие опасных ситуаций, а следовательно, и предотвращать их. Поэтому, для современных производств электроэнергии на АЭС, тепловых и гидроэлектростанциях, производств химических, взрывчатых и радиоактивных веществ недооценка значения измерений и контрольно-измерительной техники на основе датчиков приводит, в лучшем случае, к недостижению поставленных целей, а в худшем случае - к катастрофам, которые случались в атомной, ракетно-космической, авиационной промышленности и других отраслях.

Эксплуатация таких объектов как реакторные энергетические установки АЭС производится в жестких условиях воздействия агрессивных сред и нагрузок при повышенных температурах и радиационного фона. Все существующие системы измерений построены по проводной схеме. Кабельные линии связи являются недолговечными в условиях эксплуатации вблизи ядерного реактора и ненадежными при возникновении аварийных ситуаций, требуют применения гермовводов, средств обеспечения пожаробезопасности и т. п. Большинство датчиков требуют введения в измерительные линии преобразующих устройств, работа которых обеспечивается источниками электропитания. В аварийных ситуациях возможно отключение источников энергопитания и потеря информации.

Для повышения надежности получаемой информации о состоянии промышленно-опасных объектов в жестких условиях эксплуатации требуется:

1. резервирование проводных линий связи с датчиком,

2. создание энергонезависимых, пассивных датчиков, которые позволят повысить пожаро- и взрывобезопасность, увеличить ресурс работы и снизить затраты на обслуживание и эксплуатацию,

3. обеспечение термостойкости и радиационной стойкости датчиков.

В настоящее время зарубежными учеными ведутся работы по созданию датчиков, отвечающих заданным требованиям (фирма Siemens). Предпочтение отдается акустоэлектронным датчикам [11-14], обеспечивающим высокую температурную и радиационную стойкость и позволяющим осуществлять энергонезависимый дистанционный съем информации. Из всех типов акустоэлектронных устройств с точки зрения практических применений наибольший интерес вызывают приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), распространяющихся вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком приповерхностном слое. Этот интерес обусловлен, возможностью создания приборов с разнообразными характеристиками, возможностью доступа к поверхности материала на пути распространения волны, а также технологией изготовления приборов на ПАВ по стандартной планарной технологии интегральных схем.

Энергонезависимые дистанционные датчики могут быть реализованы на базе хорошо изученных и широко используемых линий задержек на ПАВ, в которых чувствительность самой пьезоэлектрической подложки к воздействию измеряемой величины положена в основу работы прибора [15 - 37]. Линия задержки является не только первичным чувствительным элементом к измеряемой величине, но и позволяет задержать информационный сигнал на достаточную величину для исключения мешающих отражений от окружающих предметов. Однако принцип работы таких датчиков предполагает непосредственное взаимодействие измеряемой среды со звукопроводом (в датчиках давления, газовых сенсорах), что сопровождается воздействием внешних неблагоприятных факторов, таких как влага, механические загрязнения, что влечет за собой изменение граничных условий и, как следствие, потере информационного сигнала. Хрупкость пьезоэлектрической подложки в датчике давления ограничивает диапазон измеряемых параметров и кроме того, требует принятия дополнительных мер по обеспечению передачи изгибных деформаций к устройству. Такие датчики позволяют проводить только непрерывные измерения физических величин в реальном масштабе времени и не обеспечивают возможность регистрации пороговых значений физических величин, а также одновременного измерения нескольких физических величин.

В связи с этим, ученые из фирмы Siemens предложили идею модулирования параметров отраженной поверхностной акустической волны внешними чувствительными элементами, подключаемыми к линиям задержки на ПАВ [38 - 41]. Такой подход является новым и перспективным для создания энергонезависимых дистанционных датчиков различных физических величин. В этом случае линия задержки является преобразователем состояния внешних чувствительных элементов в информационный сигнал и может быть герметизирована для исключения влияния внешних дестабилизирующих факторов на подложку. Кроме того, датчики с внешними чувствительными элементами позволят проводить одновременные измерения нескольких физических величин и измерения в труднодоступных местах. В связи с тем, что чувствительные элементы могут иметь индуктивный, резистивный и емкостной характер, возникает задача исследования влияния величин и способов их подключения на параметры отраженной ПАВ и амплитуду информационного сигнала.

Цель работы состоит в разработке принципов построения акустоэлектронных энергонезависимых датчиков физических величин с использованием различных индуктивных, емкостных и резистивных внешних чувствительных элементов.

Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории распространения акустических волн в твердых телах, теории радиотехнических цепей и сигналов, методах компьютерного моделирования, методах эквивалентных схем. В экспериментальных исследованиях использовались макетирование и натурный эксперимент.

Научная новизна.

1. Предложены и исследованы принципы построения нового класса дистанционных энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами и амплитудной модуляцией на основе:

• вариации коэффициента акустического отражения,

• управления энергией возбуждения ПАВ.

2. Исследовано влияние величин импедансов активной и реактивной нагрузок на коэффициент отражения ПАВ от структуры встречно-штыревого преобразователя с Целью оценки возможности управления амплитудой информационного сигнала.

3. Предложено использование трансформации сопротивлений отрезком длинной линии для исследования и построения датчиков на ПАВ с внешними резистивными и емкостными чувствительными элементами.

4. Впервые теоретически обосновано изменение амплитуды информационного сигнала путем управления энергией возбуждения преобразователей внешней нагрузкой.

5. Новизна работы подтверждена патентами на изобретения конструкций датчиков, основанных на принципах, предложенных в работе.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований легли в основу построения нового класса датчиков физических величин на ПАВ с внешними чувствительными элементами, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как работоспособностью в условиях воздействия агрессивных сред и нагрузок, термостойкостью и радиационной стойкостью. Практическая ценность работы подтверждается выписками с международных конференций (см. приложения 1,2).

Практическое использование. Результаты работы использованы при выполнении НИР по разработке датчиков температуры и давления в интересах концерна Росэнергоатом, по разработке датчиков контроля за превышением пороговых значений критических значений ускорения, температуры для контейнеров, предназначенных для транспортировки опасных грузов по заказу РФЯЦ - ВНИИЭФ.

Обоснованность и достоверность результатов работы основаны на использовании известных способов математического описания волновых процессов в ПАВ структурах. Обоснованность предлагаемых в работе принципов построения датчиков подтверждается результатами сравнения теоретических и экспериментальных исследований. Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными испытаниями макетных образцов энергонезависимых дистанционных датчиков на ПАВ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• "Автомир XXI века. Маркировка и идентификация автомобилей и составных частей к ним Научно-практическая конференция. Москва, 2001;

• Научно-техническая конференция организаций, входящих в Ядерное общество России, Н.Новгород, 2001 г;

• "Голубая Ока", 7-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н. Новгород, 2002 г;

• "Будущее технической науки Нижегородского региона", региональный молодежный научно-технический форум, Н Новгород, 2002;

• "Датчики и детекторы для АЭС", Научно-техническая конференция. Пенза,

2002 г;

• "Экологическая и промышленная безопасность". 2 сессия школы-семинара , Саров, 2003 г;

• "Голубая Ока", 8-я Нижегородская сессия молодых ученых, Н. Новгород,

2003 г;

• "Будущее технической науки Нижегородского региона", II региональная молодежная научно-техническая конференция, Н Новгород, 2003 г;

• Областной конкурс научно-технического творчества молодежи, Н.Новгород, 2002 г.

• "Радиационная безопасность: Атомтранс — 2003. Транспортирование радиоактивных материалов", VI Международная конференция, г.Санкт-Петербург, 2003 г.

• "Датчики и детекторы для АЭС", II Всероссийская научно-техническая конференция, Пенза, 2004 г;

• "Безопасность ядерных технологий. Обращение с радиоактивными отходами",

VII международная конференция. Санкт-Петербург, 2004 г;

• "Средства аналитики, диагностики и системы автоматизации для ТЭК и атомной энергетики", Седьмой межотраслевой научно-технический семинар.

Краснодарский край, Большой Сочи, 2005 г.,

• "Датчики и системы - 2005", Международная научно-техническая конференция. Пенза, 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, получено 6 патентов на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 78 наименований и 4 приложений. Общий объем работы - 130 страниц.

4.6 Выводы

В четвертой главе рассмотрена практическая реализация дистанционных энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами, работа которых основана на предложенных в диссертационной работе принципах вариации коэффициента акустического отражения и управления энергией возбуждения ПАВ. Классификация и технические характеристики разработок представлены в табл. 4.1. Проведены экспериментальные исследования разработанных конструкций датчиков, результаты которых подтвердили: правильность сформулированных принципов построения датчиков; соответствие результатам выполненных теоретических исследований; возможность дистанционного съема с них информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе рассмотрены вопросы, касающиеся разработки дистанционных энергонезависимых датчиков на основе ПАВ - устройств с внешними чувствительными элементами.

1. Предложены и исследованы принципы построения нового класса дистанционных беспроводных энергонезависимых датчиков на ПАВ с внешними чувствительными элементами и амплитудной модуляцией информационного сигнала на основе:

• вариации коэффициента акустического отражения;

• управления энергией возбуждения ПАВ.

2. Проведен анализ научно-технической литературы, выявлен мировой уровень развития дистанционных датчиков и определены направления создания датчиков на ПАВ-устройствах.

3. Исследовано влияние величин активной и реактивной нагрузок на коэффициент отражения ПАВ от структуры встречно-штыревого преобразователя с целью оценки возможности управления амплитудой отраженного сигнала. Определены диапазоны изменения величин нагрузок внешних чувствительных элементов, динамические диапазоны информационного сигнала и число регистрируемых состояний. Показано, что датчики с индуктивным чувствительным элементом обладают максимально достижимыми потенциальными возможностями по динамическому диапазону информационного сигнала, равному 32 дБ и 21 количеству регистрируемого состояния чувствительного элемента. Сформулированы рекомендации по разработке аналоговых и пороговых датчиков физических величин на основе полученных зависимостей коэффициента отражения ПАВ от величин активной и реактивной нагрузок.

4. Показана эффективность и целесообразность использования трансформирующих свойств отрезка длинной линии для создания дистанционных энергонезависимых датчиков с внешними резистивными и емкостными элементами.

5. Теоретически обосновано изменение амплитуды выходного сигнала путем управления энергией возбуясдения преобразователей внешней нагрузкой.

6. Исследовано влияние величин импедансов активной и реактивной нагрузок, подключаемых между входным и выходным преобразователями на амплитуду выходного сигнала, и определены оптимальные диапазоны изменения индуктивных, резистивных и емкостных нагрузок. Определено, что максимальная потенциальная возможность по динамическому диапазону в 32 дБ и 21 регистрируемого состояния чувствительного элемента, реализуется для всех характеров нагрузок.

7. На основе сравнительного анализа эффективностей датчиков, основанных на предложенных принципах, сделан вывод о равнозначности их потенциальных возможностей. Применение тех или иных чувствительных элементов зависит от конструктивных особенностей и дополнительных требований, предъявляемых к датчикам.

8. На основе предложенных принципов разработаны и исследованы практические конструкции датчиков, относящиеся к следующим типам:

• аналоговые с изменением величины нагрузочной индуктивности;

• пороговые с переключением режимов нагружения;

• аналоговые с изменением величины резистивных и емкостных нагрузок кабеля;

• пороговые с замыканием и размыканием преобразователей между собой;

• аналоговые с внешними резистивными и емкостными чувствительными элементами.

9. Проведены экспериментальные исследования разработанных конструкций датчиков, результаты которых подтвердили:

• правильность предложенных принципов построения датчиков;

• соответствие результатам выполненных теоретических исследований;

• возможность дистанционного съема информации.

10. По результатам диссертационной работы получено 6 патентов на изобретения

1. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т. 1 (кн. 1) / Под общ. ред. Ю.Н.Коптева; Под ред. Е.Е.Багдатьева, А.В.Гориша, Я.В.Малкова М.:ИПРЖР, 1998.-458 с.:ил.

2. Блинов А, Гамкрелидзе, Критенко М, Д.Лебедев, Мокров Е. Датчики нового поколения для вооружений и военной техники// Электроника: Наука. Технология. Бизнес . -2003. № 2. - С.50-53.

3. Мокров Е.А. Проблемы и перспективы развития датчиковой аппаратуры// Микросистемная техника. 2003. - № 9. С. - 11-17.

4. Труфанова Г.В., Киселёв В.К., Князев И.А., Тремасов Н.З. Перспективы дистанционной идентификации объектов// Конверсия в машиностроении.-2003. -№ 2. -С. 80-84.

5. Труфанова Г.В., Киселёв В.К., Князев И.А., Тремасов Н.З. Состояние разработки дистанционных энергонезависимых датчиков// Конверсия в машиностроении. 2003. - № 2. - С. 78-80.

6. Ю.Князев И. А., Костюкевич О.Н., Труфанова Г.В., Субботина Н.Е. Энергонезависимый дистанционный датчик критических параметров// Международная научно-техническая конференция "Датчики и системы -2005". Тез. докл. 2005 г., Пенза, 2005. - С. 50.

7. Н.Новиков В.В. Прецизионные акустоэлектронные изделия для специальной и гражданской аппаратуры// Петербургский журнал электроники. 2002. - № 3. С.-48-50.

8. Сафронов А .Я., Климашин В.М., Парфенов Б.Г., Филатов И.Н. Акустоэлектроника важнейшее направление науки и техники// Электронная промышленность. - 2003. - № 1. С. - 119-124.

9. Сафронов А .Я., Климашин В.М., Воронков Б.И., Брычев В.Н., Лавренов A.A. Акустоэлектронные приборы// Электронная промышленность. 2003. -№ 1. С. 125-129.

10. Макаров В.М., Малов В.В., Карпеев Д.В. Частотные датчики механических величин на ПАВ-структурах // Сегнето- и пьезоматериалы и их применение. Материалы семинара МДНТП. М.: 1978. С. 59-62.

11. М.В. Schultz and M.G. Holland, "Materials for surface acoustic wave components", Proc. Inst. Elec. Eng., no 109, pp. 1-10, Sept. 1973.

12. M. F. Lewis, "Surface acoustic wave devices and applications: No. 6 oscillators-the next successful surface acoustic wave device?", Ultrasonics, vol. 12, pp.115124, May 1974

13. Ридер, Кален. Датчики давления и температуры, использующие поверхностные акустические волны// ТИИЭР, 1976. т.64, №5.

14. Датчик механических величин: A.C. 1450708 СССР/ В.М.Колешко, Ю.В.Мешков, 1986г.

15. Датчики теплофизических и механических параметров: В 3 т. Т1 (кн.2). Справ. Руководство / Е.Е. Багдатьев, А.В.Гориш, Я.В.Малков,- М.:ИПРЖР, 1998.-512 е.: ил.

16. Wohltjen Н., Dessy R. Surface Acoustic Wave Probe for Chemical Analysis. 11(2). Gas Chromatography Detector// Anal. Chem.1979. V.51 № 9. p. 14651470/

17. Preceding of the 1997 IEEE International Frequency Control Symposium// Catalog № 97CH36016 Library of Congress № 87-654207, 28-30 May, 1997.

18. Benes E. Groschl M., Seifert F., Pohl A. Comprasion between BAW and SAW sensor principles// 1997 IEEE International Frequency Control Symposium. P. 520.

19. Wohltjen H., Dessy R. Surface Acoustic Wave Probe for Chemical Analysis. 111(3). Thermomechanical Polimer Analyzer// Anal. Chem.1979. V. 51. № 9. p. 1470-1475.

20. Беспалов A.E., Соборовер Э.И., Швандеров А.Ф. Исследование сенсорных свойств преобразователя на поверхностно-акустических волнах// Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. Сер. Физика твердого тела. 2000. Вып. 1(3). С. 105-113.

21. Соборовер Э.И., Зяблов B.JI. Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувевительного покрытия как анализатор газов и газовых смесейю Ч. 1. Индивидуальные газы и воздух// Датчики и системы. 2005. - № 1. - С.32-40.

22. Быстродействующий технологичный датчик влажности на поверхностных акустических волнах: RU №2047173/ Опытное КБ «Павика». Опубл. 27.10.95.

23. Способ дистанционного измерения температуры и устройство для его осуществления: заявки РФ на изобретения 93017911/10 от 06.04.93г/ Т.В.Плонская, А.Ф.Плонский, Новороссийская государственная морская академия.

24. Поверхностные акустические волны: Пер. с англ./Под ред. Олинера М., Мир, 1981.

25. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат. 1983.

26. L. Reindl, G Scholl, Т. Ostertag, C.C.W.Ruppel, W.-E. Bulst, and F. Seifert, "SAW devices as wireless passive sensors", in Proc. IEEE Ultrason. Symp.,1996, pp. 363-367.

27. Опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах: RU № 2105993/ Симменс АГ. Опубл. 27.02.1998.

28. Люлин Б.Н., Новиков В.В. Состояние и перспективы развития датчиков физических и химических величин в ОАО «Авангард»// Датчики и системы. -2004,-№6,-С. 21-26.

29. ПЧЭ на ПАВ для измерения давления: Свидетельство на полезную модель № 27257 от 19.07.2002 г./ В.В.Новиков.

30. Датчик давления: RU № 2036446/ В.И.Баженов. Опубл. 27.05.95.

31. Alfred Pohl. A Review of Wireless SAW// IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 47, no. 2, march 2000.

32. Leonhard Reindl, Reinhard Steindl, Christian Hausleitner, Alfred Pohl, Gerd Scholl. Wireless Passive Radio Sensors// IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 47, no. 2, march 2000

33. L. Reindl, C.C.W. Ruppel, A. Kirmayr, N. Stockhausen, M.A. Hilhorst, and J.Balendonck. Radio-Requestable Passive SAW Water-Content Sensor// IEEE Tranactions on microwave theory and techniques, vol. 49, no 4, april 2001.

34. Product comprising a sensor and a surface wave element, and method and system for determining, from the sensor, a measured quantity that corresponds to a reactive resistance: WO 01/66367 А1/ SIEMENS. Опубл. 13.09.2001.

35. Граймз K.A., Мангл K.C., Цзен К. и др. Беспроводные магнитоупругие резонансные сенсоры//Датчнки и системы. 2003. - №3. - С.56-67.

36. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах. Т. 2 / Под общ. Ред. Ю.Н.Коптева; Под ред. Е.Е.Багдатьева, А.В.Гориша, Я.В.Малкова М.:ИПРЖР, 1999.-688 с.:ил. стр.380.

37. Преобразователь температуры: RU 2235979/ Г.В.Труфанова, В.К.Киселев, И.А.Князев, С.А.Комиссаров. №2002134844; Заявл. 23.12.2002. Опубл. 10.09.2004 Бюл. №25.

38. Способ измерения температуры: RU 2240517/ Г.В.Труфанова, В.К.Киселев, И.А.Князев, С.А.Комиссаров. № 2002133820; Заявл. 15.12.2002. Опубл. 20.11.2004 Бюл. №32.

39. Преобразователь температуры: RU 2240518/ Г.В.Труфанова, В.К.Киселев, И.А.Князев, С.А.Комиссаров, Г.Н.Семьин. № 2002135352; Заявл. 30.12.2002. Опубл. 20.11.2004 Бюл. № 32.

40. Клейборн, Кайно, Стерн. Поверхностные акустические волны устройства и применения. Предисловие к тематическому выпуску// ТИИЭР. - 1976. -Том 64. - №5.-С. 7-10.

41. Хейс, Хартманн. Устройства на поверхностных акустических волнах для техники связи// ТИИЭР. 1976. - Том 64. - №5. - С. 98-120.

42. Морозов А.И., Проклов В.В., Станковский Б.А., Гингис А.Д. Пьезополупроводниковые преобразователи и их применение. М.: Энергия, 1973.- 152 с.

43. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984.-272 е., ил.

44. Труфанова Г.В., Киселёв В.К., Князев И.А. Радиотранспондерные датчики физических параметров в исполнении для АЭС// Научно-техническая конференция организаций, входящих в Ядерное общество России. Тез. докл. 21-23 июня 2001 г. Н.Новгород, 2001.

45. Труфанова Г.В., Князев И.А., Никулин С.М. Принципы построения датчиков физических величин на поверхностных акустических волнах// Датчики и системы. 2003. - № 10. - С. 8-13.

46. Тензочувствительный датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ): A.C. 1159153 СССР/Я.Н.Пугачев.- Опубл. БИ № 20, 1985г.

47. Труфанова Г.В., Князев И.А., Киселев В.К, Никулин С.М., Комиссаров С.А. Принципы создания порогового датчика на поверхностных акустических волнах// Датчики и системы. 2004. - № 1. - С.23-26.

48. Труфанова Г.В., Киселёв В.К., Князев И.А., Комиссаров С.А. Датчик дистанционной ориентации объекта в пространстве// Восьмая сессия "Технические науки": Тез. докл. Дзержинск, 2003.

49. Датчик механических величин (варианты): RU 2247954/ Г.В.Труфанова, В.К.Киселев, И.А.Князев, -№ 2002112138; Заявл. 06.05.2002. Опубл. 10.03.2005 Бюл. №7.

50. Радиотранспондерный датчик положения и ориентации: RU 2254595/ Г.В.Труфанова, В.К.Киселев, И.А.Князев, С.А.Комиссаров, № 2002130174. Заявл. 11.11.2002. Опубл. 20.06.2005 Бюл. № 17.

51. Бартон Д. Радиолокационные системы. -М.: Военное издательство, 1967.

52. Труфанова Г.В., Никулин С.М. Влияние внешней нагрузки на амплитуду выходного сигнала в устройствах на поверхностных акустических волнах// Датчики и системы. 2004. - № 11. - С. 19-22.

53. Фильтры на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. Под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь, 1981.

54. Холланд М., Клейборн У. Устройства на акустических поверхностных волнах// ТИИЭР 1974,- т.62, № 5, с.45-83.

55. Engan H. Excitation of Elastic Surface Waves by Spatial Harmonics of Interdigital Transducers// IEEE Trans. Electr. Devices 1969- V. ED-16, N 12, p. 1014-1017.

56. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.- 416 с.:ил.

57. A.J. Slobodnik, "Materials and their influence on performance", in Oliner, Acoustic Surface Waves, Springer, 1978, pp.225-303.

58. Dunnrowiez С., Saady F., Parker T. Reflections of Waves from Periodic Discontinuities. Proc. 1976 Ultrasonics Symposium, 1976, Annapolis, p. 386390.

59. Белорусов Н.И. и др. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник/ Н.И.Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева; Под ред. Н.И.Белоруссова. 5 изд., перераб. И доп. -М.: Энергоатомиздат, 1988.-536 е.; ил.

60. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы, Издание второе, исправленное. Ленинград, 1964 г.

61. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. -М.: Сов. Радио, 1980.-264 с.

62. Мейнс, Пейдж. Применение устройств на поверхностных акустических волнах для обработки сигналов// ТИИЭР. 1976. - Том 64. - №5. - С. 81-98.

63. Датчик давления и температуры: RU 2247343/ Г.В.Труфанова, В.К.Киселев, И.А.Князев, С.А.Комиссаров, № 2003103821; Заявл. 10.02.2003. Опубл. 27.02.2005 Бюл. № 6.

64. Григоров И.Н. Практические конструкции антенн,- М.:ДМК, 2000. 352 с.:ил. (В помощь радиолюбителю).

65. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. 1 -ое полное издание, С-Пб: Издательство «БОЯНЫЧ», 1998, - 656 стр., ил.