Традиционная элементная база датчиковой аппаратуры, применяемой при отработке РКТ – терморезистивные, термоэлектрические, емкостные, индуктивные и полупроводниковые датчики – уже не всегда удовлетворяет современным требованиям. Анализ характеристик различных типов датчиков показывает, что наиболее эффективным дополнением этой элементной базы может является применение кварцевых пьезорезонансных чувствительных элементов (ПРЧЭ) – высокоточных и многофункциональных сенсорных преобразователей внешних воздействий, совместимых с принципами микроэлектроники. Кварцевые пьезорезонансные сенсоры – один из наиболее перспективных способов измерения параметров. Также пьезорезонансные датчики можно использовать в качестве базы для создания перспективных телеметрических систем, в которых используется для измерения различных параметров только один принцип физического преобразования (смотри Принципы построения перспективных телеметрических систем).
В кварцевых пьезорезонаторах используются элементы, изготовленные из монокристаллов кварца, физические свойства которого позволяют создавать электронные преобразователи с высокой чувствительностью, низким гистерезисом, малой погрешностью, высокой стабильностью и повторяемостью характеристик.
Пьезоэлектрики широко применяют в технике, акустике, радиофизике и т.д. Их применение основано на преобразовании электрических сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются в резонаторах, входящих в состав генераторов, фильтров, различного рода преобразователей и датчиков.
Кварцевый генератор – маломощный генератор электрических колебаний высокой частоты, в котором роль резонансного контура играет кварцевый резонатор – механический вибратор, вырезанный определённым образом из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала, выполняемый обычно в виде элемента правильной формы (прямоугольной пластины, диска, стержня и т. д.). При деформации кварцевой пластинки на её поверхностях появляются электрические заряды, величина и знак которых зависят от величины и направления деформации. В свою очередь, появление на поверхности пластины электрических зарядов вызывает её механическую деформацию. В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.
Пьезорезонансные датчики – одни из наиболее универсальных типов первичных измерительных преобразователей (ИП). Универсальность пьезорезонатора как преобразователя физических величин определяется возможностью варьировать в широких пределах его свойства и избирательность реакций на воздействия различной физической природы. Большие ресурсы для управления свойствами преобразователя заложены в анизотропии пьезоэлектриков и многообразии типов колебаний вибратора. Использование указанных факторов и создаёт предпосылки к применению ПРД для решения широкого круга задач.
Сегодня группа пьезорезонансных датчиков, по многообразию решаемых задач одна из наиболее обширных, включает большое число средств измерения механических параметров (усилий, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т. п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств для контроля составов, концентрированных газов, влажности, микромасс. Пьезорезонансные методы широко используются в экспериментальных исследованиях. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят преобразователи, выполненные на других физических принципах. В первую очередь это относится к измерениям механических величин, температуры, микровзвешиванию.
Реализованы приборы с погрешностями в пределах сотых долей процента и порогом чувствительности 10-6 – 10-7 от верхнего предела измеряемой величины. Приборы с пьезорезонансными датчиками находят применение в качестве переносных вторичных эталонов.
Основные типы ПРД рассмотрены в таблице 1.
Таблица 1 | |||||||
Тип пьезо- резонатора | Управляемый элемент колебательной системы | Управляемый структурный элемент | Модулируемый параметр | Выходной сигнал ПРД | Тип рабочих колебаний | Материал вибратора | Измеряемые параметры |
Тензочувст-вительный | Вибратор | Податливость | Частота резонатора, коэффициент связи для многополюсных пьезопреобразователей | Частота | Сдвиг по толщине, изгиб | Пьезокварц | Сила, масса, деформация, ускорение, давление |
Термочувствительный | ’’ | ’’ | Частота | ’’ | Сдвиг по толщине | ’’ | Температура, вакуум, скорость потока, электрический ток, напряжение, мощность, состав газа |
Геометрически чувствительный | Подвижный электрод | ’’ | Межэлектродная емкость | ’’ | То же | Пьезокварц, ниобат, танталат лития | Усилие, давление, ускорение |
Масс-чувствительный | Плёночное покрытие вибратора | Масса | Частота | ’’ | ’’ | Пьезокварц | Влажность, химический состав микромассы, толщина плёнок, давление |
Акусточувствительный | Плёночное покрытие, элементы крепления, окружающая среда | Потери | Импеданс резонатора, коэффициент связи для четырёхполюсника | Амплитуда | Продольные, поперечные | Пьезокварц, пьезокерамика, ниобат лития | Влажность, давление, сила, масса, микроперемещение |
Гирочувствительный | Вибратор | Деформация вибратора | Коэффициент связи многополюсного преобразователя | ’’ | Комбинация продольных и поперечных колебаний | Пьезокерамика, пьезокварц | Угловая скорость |
Анализ данных таблицы 1 показывает, что в качестве основы большинства ПРД используются только два типа пьезоматериалов: кристаллический пьезокварц и пьезоэлектрическая керамика. Области применений этих материалов четко разграничены: пьезокварц применяется в основном в преобразователях с частотным выходом, а пьезокерамика – в преобразователях с амплитудным выходом. Нетрудно заметить и другой существенный момент: в датчиках, основанных на принципе модуляции параметров пьезовибратора, применяются, как правило, пьезокварцевые резонаторы. Причины, порождающие весьма чёткое разделение областей применения, следует искать в особенностях физических свойств пьезоэлектрических материалов. С точки зрения построения частотных преобразователей наиболее существенными из этих свойств являются механическая добротность и стабильность параметров пьезоэлектрика. Эти параметры характеризуют решающим образом качество пьезорезонатора как колебательной системы и определяют такие показатели измерительного преобразователя, как порог чувствительности и стабильность нуля.
Дополнительным преимуществом пьезокварца, особо важным с точки зрения использования его в измерительных преобразователях, является его безгистерезисность при механических, температурных и электрических воздействиях. Это выгодно отличает пьезокварц от пьезокерамических материалов, которые обладают настолько ярко выраженными гистерезисными свойствами, что в ряде случаев могут быть использованы для построения элементов запоминающих устройств.
Общая характеристика пьезорезонаторов, используемых в ПРД
Число разновидностей ПР, используемых в измерительных преобразователях, сравнительно невелико.
Наибольшее распространение получили высокочастотные пьезокварцевые резонаторы с колебаниями сдвига по толщине. Эти резонаторы реализуются на диапазон от сотен килогерц до нескольких сотен мегагерц.
За последние годы заметную конкуренцию применению этих резонаторов в датчиках начинают составлять кварцевые микроминиатюрные резонаторы низкочастотного диапазона (10-500 кГц), в первую очередь в виде одинарных и сдвоенных камертонов. С учетом того, что наиболее серьезны достижения в области ПРД на базе сдвиговых и камертонных ПР, ниже будет дана развернутая характеристика их свойств.
В отдельных типах датчиков находят применение и другие разновидности кварцевых резонаторов, в частности брусковые ПР с продольными и изгибными колебаниями (диапазон рабочих частот 10-500 кГц).
На основе пьезокерамики строятся как резонаторы и многоэлектродные селективные элементы (трансформаторы), так и составные преобразователи. В датчиках находят применение и пьезокерамические преобразователи с колебаниями сдвига по толщине и преобразователи с радиальными, изгибными и продольно-толщинными колебаниями.
Основные конструктивные разновидности пьезорезонаторов
Наиболее распространенными вариантами ПР являются приборы, в которых электроды возбуждения нанесены непосредственно на вибратор, выполненный из однородного по составу пьезоактивного материала – монокристалла или керамики. Наряду с этим применяются, хотя и в меньшей степени, другие конструкции.
В резонаторах с возбуждением через зазор электрод (или оба электрода) отделен от вибратора небольшим (обычно менее 1 мм) расстоянием. Как правило, пространство зазора заполнено нейтральным газом либо вакуумом.
Преимущества подобных конструкций – потенциально более высокая временная стабильность, обеспечиваемая благодаря отсутствию на поверхности вибратора инородных материалов (электродных покрытий), которые являются источником дестабилизирующих механических напряжений и временного дрейфа частоты резонатора из-за старения этих покрытий , изменения их химического состава и т.п. В настоящее время наиболее прецизионные резонаторы все чаще выполняются в виде конструкций с возбуждением через зазор. Подобные конструкции используются и в датчиках. Изменение расстояния между вибратором и электродом приводит к изменениям частоты, что позволяет реализовать большую группу пьезорезонансных датчиков механических параметров.
Другой распространенный тип приборов – составные пьезорезонаторы. Конструктивно они выполняются соединением в единый элемент непьезоэлектрического вибратора и пьезоэлектрического возбудителя колебаний. Обычно вибратор выполняется из высокодобротного металла, а пьезоэлемент – из материала с большим коэффициентом электромеханической связи.
Диапазон рабочих частот составных резонаторов с твердотельными пьезоэлементами ограничен сверху частотами, равными нескольким мегагерцам.
Решение задачи повышения рабочей частоты колебаний при сохранении технологичности и прочности вибратора связано с применением гармониковых составных резонаторов ОАВ. Вариант конструкции такого резонатора представляет собой слоистую структуру, состоящую из сравнительно толстой подложки и нанесенной на неё пьезоэлектрической системы возбуждения акустических колебаний. Последняя содержит пьезоэлектрическую пленку ZnO. Для возбуждения акустической волны используются тонкие электроды (нижний хром-золото и верхний хром-алюминий). Подслой SiO используется в качестве слоя, изолирующего полупроводник ZnO от электродов. Частотозадающим размером является толщина подложки. Осуществляется возбуждение на частотах высших гармоник. При толщине подложки 50,8 мкм и скорости волны 11,3∙105 см/с рабочей частоте 3 ГГц соответствует возбуждение на 25 гармонике. При этом 24 и 26 гармоники отстоят от нее на 110 МГц. В качестве подложки используются высокодобротные материалы (сапфир, шпинель, рубин). В ряде случаев применяются двухвходовые системы. В этом случае второй пьезопреобразователь размещается на нижней поверхности подложки. Как правило, электроды возбуждения выполняются не сплошными, а в виде гребёнки проводящих штырей с постоянным расстоянием между ними. В этом случае обеспечиваются лучшие условия согласования импедансов. Важной особенностью подобных гармониковых резонаторов является локализованность области активных колебаний. Фактически вся энергия концентрируется под электродами, и периферия подложки оказывается развязанной от колебаний, что резко упрощает крепление подобных систем. В ряде случаев это оказывается удобным при построении датчиков.
Принципы построения измерительной аппаратуры на базе пьезорезонансных датчиков
Пьезорезонансные датчики гораздо чаще поставляются как неотъемлемая часть цифровой аппаратуры, нежели как самостоятельные изделия. В настоящее время накоплен значительный опыт в создании приборов с ПРД для самых различных применений: стационарного и переносного типа, лабораторных и для полевых условий, одно- и многоканальных, прецизионных и невысокой точности, с цифровой и стрелочной индикацией и т.д.
В подавляющем большинстве случаев ПРД являются датчиками с частотным выходом. Вопросам обработки частотных сигналов, построению измерительной аппаратуры с частотными датчиками посвящен ряд основополагающих работ. Давно известны принципы построения цифровых измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками температуры. Многие из этих принципов не утратили своей актуальности и по сей день. Вместе с тем за последние годы произошли существенные сдвиги в подходах к организации приборов и средств обработки измерительной информации. В первую очередь это связано с широким внедрением в приборостроении ЭВМ и микропроцессорной техники. Благодаря этому резко расширились функциональные возможности цифровых приборов, повысились их точность, быстродействие, снизились габаритные размеры, масса и энергопотребление.
Структуры измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками
Контрольно-измерительная аппаратура с ПРД в подавляющем большинстве является цифровой. Это естественное следствие двух обстоятельств: доминирующей роли цифровых методов обработки информации и удобства цифрового преобразования частотных сигналов. В общем случае структура цифрового прибора с ПРД содержит блок преобразования частоты в код, блок цифровой индикации, а также вспомогательные узлы – источники питания, схемы автоматики, генератор опорной частоты и т.д. В многоканальных устройствах предусматривается коммутатор для последовательного опроса датчиков.
При использовании ПРД в системах регулирования нередко оказывается более удобным работать с сигналами тока или напряжения, а не частоты. В этом случае вместо преобразователей частота – код в структуру прибора вводится преобразователь частота – напряжение (ток). Современные интегральные схемы этих устройств обеспечивают достаточно высокие точности преобразования. Преобразование частоты в напряжение может выполняться и с помощью кварцевых частотных дискриминаторов, имеющих высокую крутизну преобразования (до нескольких вольт на герц при питании схемы напряжением около 10 В). Недостатком дискриминаторов является большая нелинейность, которая может достигать 10-20 %.
Блоки обработки информации с частотных ПРД ничем принципиально не отличаются от блоков, используемых в других датчиках с частотным выходом. Высокая линейность, присущая многим типам ПРД, позволяет в ряде случаев упростить схемы измерительных приборов за счет исключения линеаризаторов.
При написании данной статьи были использованы следующие источники:
1) Малов В.В. Пьезорезонансные датчики, 1989;
2) Тимина Л.В. Дипломная работа «Разработка помехозащищенных датчиков с пьезорезонансным чувствительным элементом».
Комментариев нет:
Отправить комментарий