Селективные преобразователи

АН

РЧ

Н

Б

А

С

Б

Рисунок 7.27— Конструкция датчиков ускорения

При длинных линиях связи между датчиком и усилителем для уменьшения помехи необходимо симметрирование измерительной цепи. В датчике, показанном на рис. 7.27, а, сопротивления связи между выводами и корпусом резко несимметричны, так как вывод 4 от внутренних пластин изолирован от корпуса, а внешние пластины и вывод от них, которым является экран кабеля, непосредственно соединены с корпусом. Для обеспечения симметрии сопротивлений связи датчик выполняется из нечетного числа пластин, соединенных так, как показано на рис. 7.27, б. Сквозь центральные отверстия пластины через изоляторы винтом прижимаются к корпусу. Выводы пластин подключаются к усилителю с симметричным входом.

Для повышения чувствительности датчиков пьезоэлемент выполняется в виде ряда па­раллельно соединенных при помощи металлических прокладок 4 пластин 2 (рис. 7.27, а). В этом случае чувствительность преобразователя определяется формулой

S = К _пз ∙n(С_вх + пС₀), где п — число параллельно соединенных пластин; С ₀ — емкость одной пластины пьезокера-мики.

Или используются пьезоэлементы из пьезокерамики, имеющей пьезомодуль значительно выше по сравнению с кварцем.

9.2 Пьезорезонансные преобразователи

Как уже выше в пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электриче­ского напряжения между электродами в деформацию и механические напряжения в пьезоэлементе, которые вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала. Резонанс­ные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. Длина волны λ = υ/f, где υ — скорость распространения ультразвука; f — частота излучения. Скорость распространения ультразвука в материале определяется как

v = iEj/p, кристаллическим

осям; ρ - плотность материала.

где Е ij - константа упругости по Следовательно, длина волны равна

X = (iEi_j/p)/ f. Если длина волны λ такова, что на отрезке h между гранями, от которых отражаются волны, укладывается целое число полуволн, то в пьезоэлементе устанавливаются стоячие волны. Таким образом, стоячим волнам соответствует частота возбуждающего напряжения

f_пк = n/2h4 Ei_j/ />, где n - число, уложившихся полуволн.

Частота колебаний, при которых на длине h укладывается одна полуволна, является основной частотой и равна

f_к = 1/2h4Ei_j/p, При частотах, значительно меньших f _к ток в цепи возбуждающих электродов (рис. 9.3, а) мал и определяется в основном межэлектродной емкостью С₀ и сопротивлением изоляции между электродами R₀.

УХ/VY

L _к

С _к

R ₀

I

С

R _к

Z _а

Рисунок 7.28— Эквивалентные схемы пьезорезонатора

По мере приближения частоты возбуждающего напряжения к частоте f_к амплитуда механических колебаний растет. Пропорционально амплитуде колебаний увеличивается заряд на электродах, и в цепи возрастает составляющая переменного тока, вызываемая деформациями пьезоэлемента.

На рис. 7.28, б представлена эквивалентная схема пьезорезонатора с параметрами: индуктивностью L _к, емкостью С _к и сопротивлением R _к, образующих динамический контур эквивалентной схемы Кроме того, схема учитывает влияние внешних нагрузок в виде вклю­ченного сопротивления Z_a, которое может иметь как чисто активный (например, если существуют потери на акустическое излучение во внешнюю среду), так и реактивный (например, при присоединении к пьезоэлементу дополнительной массы) характер. В заторможенном состоянии, когда скорости смещений поверхностей пьезоэлемента равны нулю, сопротивление Z_a равно бесконечности (режим холостого хода). В режиме, близком к холостому ходу, работают пьезоэлектрические датчики давлений и ускорений, в которых используется прямой пьезоэффект. Поэтому в эквивалентной схеме этих датчиков динамиче­ская ветвь обычно не учитывается.

Для идеального пьезорезонатора (R₀ =, R_к = 0) проводимость бесконечно возрастает при условии 1 - ω²∙L _к∙ C_к = 0, т. е. при частоте ω_к= 1/√ l_кC_к, называемой частотой последовательного резонанса. Эта частота определяется исключительно параметрами введенного динамического контура и совпадает частотой механического резонанса.

Проводимость идеального пьезорезонатора бесконечно падает на частоте ω р = √(1 + С _к /С₀)/ L_кC_к, называемой частотой параллельного резонанса (а иногда частотой анти­резонанса).

Относительная разность между частотами последовательного и параллельного резонансов составляет (ω_р - ω_к)/ω_к = C _к/(2 C ₀). Для пьезорезонаторов из кварца емкостное отношение не превышает С_к/С₀ = 10-² ÷ 10-³ и частота ω _р может быть выше частоты ω_к не более чем на 0,5%. Соответственно и изменение частоты параллельного резонанса путем подключения параллельно резонатору добавочной емкости С ₀ и увеличения таким образом емкости С 0 возможно не более чем на 0,1 - 0,01%.

Важной характеристикой контура является его добротность Q = ω_к ЧL_к/R_к, определяемая потерями энергии при колебаниях. В состав потерь входят: потери собственно в кварце, потери в материалах электродов, потери на акустическое излучение в окружающую среду, потери на границе колеблющегося элемента и неподвижных элементов крепления, потери во входном элементе присоединяемой электрической схемы. Теоретическая добротность кварцевых резонаторов, если учитывать только потери в кварце, может достигать значения, определяемого из соотношения Q ∙ f _к = 1,2×10 ¹³; реальные добротности зависят от конструкции резонаторов.

Основой пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, резонан­сная частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить: а) при воздействии температуры, которая влияет на геометрические размеры, плотность и, главным образом, на упругие свойства кварца; б) под действием механических напряжений в резонаторе или его деформации, также вызывающих изменение толщины h, средней плотности ρ и число полуволн n в) при присоединении дополнительной массы к резонатору, изменяющей h и ρ. Соответственно различают термочувствительные, тензочувствительные и массочувствительные пьезорезонаторы.

Г2

*,

щщл

Рисунок 7.29—Структурная схема пьезорезонансного датчика

Термочувствительные пьезорезонансные датчики. Конструкция кварцевого термо­датчика приведена на рис. 7.29, а. В миниатюрном металлическом герметизированном баллоне (диаметр 6 - 8 мм) размещен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный, как на растяжках, на токоподводах 2 и 3. Для уменьшения тепловой инерционности баллон заполнен гелием, обладающим хорошей теплопроводностью. Выпускаются также датчики с резонаторами в стеклянных вакуумированных баллонах. Эти датчики имеют большую инерционность, но более высокую временною стабильность и разрешающую способность.

На рис. 7.29, б представлена структурная схема датчика, она включает в себя генератор Г ₁ с кварцевым термочувствительным резонатором, генератор стабильной частоты Г ₂, цепь разности частот РЧ, делитель частоты ДЧ и счетчик Сч с цифровой индикацией. Рабочий температурный диапазон датчиков составляет от - 80 до +250°С и может быть расширен при увеличении погрешности линейности.

Рабочие частоты термочувствительных резонаторов лежат в диапазоне 1 - 30 МГц, ис­пользуются колебания как на основной частоте (1 - 10 МГц), так и на третьей и пятой гар­мониках (5 - 30 МГц).

Тензочувствительные пьезорезонансные датчики. В качестве тензочувствительных резонаторов применяются пьезоэлементы температурнонезависимого АТ-среза, в которых используются колебания сдвига по толщине и колебания изгиба, так как только для этих типов колебаний удается решить проблему развязки между колеблющейся частью резонатора и конструктивными элементами, через которые передается механическая нагрузка. Схематические конструкции и схемы нагружения тензочувствительных пьезорезонаторов показаны на рис. 7.30.

В резонаторах (рис. 7.30, а и б) используются колебания сдвига по толщине, поэтому за­крепление резонатора и передача усилий могут осуществляться по свободной от колебаний периферии. Резонаторы подобного типа реализуются на диапазон частот 0,3 - 100 МГц, имеют толщину 0,05 - 5 мм при поперечных размерах 3 - 30 мм, относительное изменение частоты при номинальной входной величине Af / f = 0,1 ÷ 1%.

а б

Рисунок 7.30— Схематические конструкции тензочувствительных

пьезорезонаторов

В резонаторах (рис 7.30, в) используются изгибные колебания, которые возбуждаются системой из четырех электродов, обеспечивающей противоположные по знаку сдвиговые деформации так, как показано на рис. 7.30, г. Так, если при положительном потенциале на верх-нем электроде происходит в надэлектродной области сдвиг «вправо», то при отрицательном потенциале – «влево» и пластина изгибается. Деформации, вызываемые в ножках «камертона» колебаниями верхней и нижней пластин, взаимно гасятся, так как пластины перемещаются в противофазе. Резонаторы с изгибными колебаниями реализуются на диапазон частот 1–100 КГц, но имеют меньшую жесткость и, следовательно, большую чувствительность, чем резонаторы с колебаниями сдвига; относительное изменение частоты достигает значений ∆ f / f = 10 ч 20%.

Метрологические возможности датчиков сил, давлений, ускорений в значительной степени определяются гистерезисом и ползучестью, вызванными неидеальностью самого упругого элемента, соединительных элементов и элементов передачи силы, а также дополнительными механическими напряжениями, которые могут возникнуть в материале резонатора при изменении температуры вследствие неравных температурных коэффициентов линейного расширения материалов. Проблема решается наилучшим образом, если датчик представляет собой монолитный кристаллический блок, однако такая конструкция приводит к технологическим трудностям. Монолитная конструкция датчика гидростатического давления в диапазоне до 70 МПа фирмы «Хьюлетт—Паккард» показана на рис. 7.30, д.

Основу датчика составляет линзовый резонатор, выполненный в виде перемычки 1 в кварцевом цилиндре 2. Для герметизации применены крышки 3 и 4 также из кварца, ориентированного относительно кристаллографических осей идентично с цилиндром, что поз-воляет полностью устранить термонапряжение. Измеряемое давление создает всестороннее сжатие цилиндра и плоское сжатие перемычки. Кварцевый блок расположен в цилиндре, заполненном жидкостью, на которую через мягкую мембрану передается давление внешней среды. Применяется двойное термостатирование блока, обеспечивающее стабилизацию температуры ± 0,05 °С. Начальная частота резонатора 5 МГц (третья гармоника), добротность Q = 10⁶, чувствительность S = 2 Ч10^-4 Гц/Па. В приборе предусмотрен умножитель частоты на 66, порог чувствительности при времени измерения 10 с ∆ Р = 7 Па (10^-7 предела измерения).

В заключение следует сказать, что лучшие линзовые тензочувствительные резонаторы характеризуются следующими параметрами: номинальным изменением частоты ∆ f / f = (0,5ч10)Ч10^-3, годичной нестабильностью частоты 10^-7– 10^-9, кратковременной нестабильностью частоты 10^-9 – 10^-10, температурным коэффициентом частоты 10^-6 – 10^-8 К^-1, температурным коэффициентом тензочувствительности 10^-5 К^-1, что позволяет прогнозировать разработку на их базе датчиков акселерометров, манометров, динамометров с погрешностью, оцениваемой значениями порядка 10^-4, что значительно превышает точность современных приборов,

Масс-чувствительные пьезорезонансные датчики. Масс-чувствительмые резонаторы выполняются из тонких пластин или линз кварца температурно-независимого АТ-среза. В

резонаторах возбуждаются колебания сдвига по толщине. Присоединяемая масса может нано-
ситься с одной или с двух сторон как на электроды, так и на периферию резонатора.
Наращивание массы, т. е. процесс сорбции вещества, может происходить по-разному и носить
как необратимый, так и обратимый характер. Например, при отработке технологии процессов
напыления в установке заподлицо с поверхностью, на которую производится напыление,
помещается пьезорезонатор-толщиномер, позволяющий непрерывно контролировать процесс
по изменению частоты пьезорезонатора в зависимости от толщины напыленной на него пленки.
В гигрометрах и газоанализаторах пьезорезонаторы покрываются специальными

сорбционными покрытиями, удерживающими исследуемое вещество. Так, измерительный резонатор гигрометра покрывается тонкой (3∙10^-7 мкм) пленкой окислов кремния. После измерения резонатор может быть «высушен», т. е. происходит десорбция вещества.

Связь частоты с толщиной h 'и плотностью ρ ' присоединяемого материала определяется в первом приближении формулой ∆ f / f = – ρ'h' /(ρh), где ρ и h – плотность и толщина пьезо-элемента. Если предположить, что исследуемые вещества сорбируются по всей поверхности дискового резонатора, то из этой формулы следует ∆ f / f = – ∆ m / m, где m – масса резонатора, и очевидно, что относительное приращение массы может регистрироваться с тем же разрешением, что и относительное изменение частоты, т. е. 10^-6 ÷ 10^-7. Для кварцевых резонаторов толщиной h = 0,1 мм минимальные регистрируемые приращения массы на единицу поверхности ∆ m = (10^-6 ÷ 10^-5) ρ ∙ h = (10^-6 ч10^-7) 2,65Ч0,01 = 2,65 (10^-8 ч 10^-9) г/см². Однако такая высокая разрешающая способность может быть реализована только при термостабилизации резонаторов на уровне ± 0,1 °С, так как для резонаторов АТ-среза ТКЧ составляет примерно 2×10^-6 К^-1. Максимальная присоединяемая масса не должна превышать 2×10^-3 г/см², и толщина пленок должна быть не более 1 – 2 мкм, в противном случае резко падает добротность резонатора, что приводит к нестабильности и большой погрешности измерения.

Для измерения состава и концентрации веществ используют селективные
преобразователи или селективные датчики. Для описания ранее рассмотренных преобра-
зователей использовались такие характеристики как стабильность, линейность,

быстродействие и диапазон измерений. Для этой группы преобразователей существуют еще два параметра: избирательность и чувствительность к определенному химическому реагенту, вхо-дящему в состав сложных композиций.

Избирательность ─ это способность преобразователя реагировать только на опре-деленное химическое вещество и не реагировать на все остальные. Чувствительность характеризуется либо минимальной концентрацией измеряемого вещества, либо минимальным изменением его концентрации (этот параметр часто называют разрешающей способностью), достаточных для надежной работы преобразователя. Следует отметить, что если в предыдущих разделах синонимом термина «чувствительность» был наклон линейной передаточной функции, то для селективных преобразователей аналогом чувствительности является разрешающая способность.

Все селективные датчики можно разделить на две большие группы: прямого измерения (простые) и косвенные (составные). Каждая группа, в свою очередь, делится на устройства химического и физического типа.

Преобразователи прямого действия основаны на свойствах некоторых химических реакций изменять параметры электрической цепи: сопротивления, напряжения, тока или емкости. Такие преобразователи используют дополнительные схемы для согласования выход-ных электрических сигналов с интерфейсной схемой, но в них нет никаких преобразователей, конвертирующих одну форму энергии в другую. Преобразователи же косвенного типа основа-ны на химических реакциях, не вызывающих непосредственного изменения электрических параметров, поэтому в их состав всегда входят дополнительные преобразователи, конвертирующие побочные явления реакций (изменение физических размеров, сдвиг частоты, модуляцию света, изменение температуры и даже массы) в электрические сигналы.

В некоторых самых простых датчиках химического типа исследуемый химический реагент вступает в прямую химическую реакцию с чувствительным элементом, что вызывает значительное изменение их выходных сигналов. При этом часто возникают необратимые

изменения самих устройств и ухудшение их стабильности. Недостатком датчиков химического типа является их неполная восстанавливаемость после проведения измерений, вызванная частичным использованием их компонентов (уменьшение электролита в электрохимических элементах или размеров электродов).

В преобразователях физического типа химические реакции не протекают, но в при-сутствии определенных химических реагентов происходит изменение их физических свойств. Преобразователи этой группы обладают меньшим дрейфом характеристик и лучшей стабильностью по сравнению с датчиками химического типа. Однако, как правило, они достаточно дороги из-за необходимости использования дополнительных преобразователей и обладают невысоким быстродействием.

Датчики прямого действия

По типу воздействия на электрические характеристики чувствительного элемента датчики прямого действия делятся на: кондуктометрические (переменный параметр ─ сопро-тивление или импеданс чувствительного элемента), амперометрические (переменный пара-метр — ток, протекающий через чувствительный элемент) и потенциометрические (перемен-ный параметр — напряжение на паре электродов). При помощи соответствующих электронных схем переменные параметры легко преобразуются из одной формы в другую. Существует множество химических и физических реакций, на базе которых можно реализовать датчики прямого действия.

В самых простых и дешевых газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. На рис. 7.31 показано принципиальное устройство такого полупроводникового датчика. Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до100÷500°С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полу-проводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения.

Оксид ет

Металлокерамика

Электроды

Газ

Керамический корпус

Нагревательный элемент

Рисунок 7.31—Измерительная ячейка полупроводникового датчика для обнаружения

вредных газов

В таблице 1 приведены сведения о материалах чувствительных элементов некоторых датчиков для обнаружения различных газов.

Табли ца1

Анализируемое вещество	Чувствительный элемент датчика
Оксид углерода, СО	Напыленные в кислороде слои Sn02; рабочая температура 250...500°С
Этанол, С2Н5ОН	Нанесенные пиролитически слои Sn02 на кварцевых подложках; спеченная деталь из ZnO с добавкой серебра
Сероводород, H2S	Слой Sn02 с добавкой алюминия
Изобутан, С4Н10	Слой легированного ZnO на подложке из AI2O3 и слой катализатора из соединения платины
Пропан, С3Н8	Напыленный слой SnO2 с добавкой 1 % PdCh+Mg(N03)2 с добавками Nb (V. Ti. Mo)
Водород, Н2	Напыленный слой SnO2 с добавкой 1 % Sb203

Важнейшим среди них является диоксид олова SnO₂ с различными легирующими добавками. При нагреве в воздухе кристаллов Sn0₂ до заданной достаточно высокой температуры поверхность кристалла начинает адсорбировать атомы кислорода, в результате чего она становится заряженной, что уменьшает ток электронов. При воздействии на поверхность детектора определенных газов происходит снижение ее потенциала, что значительно повышает проводимость кристалла. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно достигнуть определенного повышения избирательности.

Sn₂O:Cu 10-²%

".о

Дата добавления: 2014-12-08