ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
SENSITIVE ELEMENT FOR TEMPERATURE MEASUREMENT

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения температуры.
Известен чувствительный элемент температуры, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004), состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пьезоплате напротив друг друга. В качестве информационного сигнала используется время задержки.
Недостатком этих чувствительных элементов температуры - линий задержки на ПАВ является низкая чувствительность и точность.
Известен также чувствительный элемент температуры, представляющий собой одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. - М.: Мир, 1990, 584 с.), состоящий из ВШП структуры и расположенных по обе стороны от ВШП металлизированных штыревых отражающих структур. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная частота резонатора). Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению температуры, является малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент температуры, представляющий собой дисперсионную линию задержки (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004), состоящий из ВШП и расположенных на пьезоплате с одной стороны от ВШП отражающих структур в виде системы канавок с переменным периодом, образующих дисперсионную структуру. В качестве информационного сигнала используется время задержки. По сравнению с резонаторами и линиями задержки чувствительный элемент температуры с дисперсионными структурами имеет большую чувствительность.
Недостатком чувствительных элементов температуры, представляющих собой дисперсионную линию задержки, также является малая девиация информационного сигнала и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения температуры, известного чувствительного элемента температуры - дисперсионной линии задержки -прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации времени задержки ограничено геометрическими размерами пьезоплаты, потерями на распространение ПАВ в материале, температурным коэффициентом задержки.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения температуры.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе для измерения температуры, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее четырех отражающих структур, не менее двух отражающих структур расположены под отличным от нуля углом к штырям встречно-штыревого преобразователя и не менее одной отражающей структуры находится вне площади, ограниченной апертурой встречно-штыревого преобразователя и расстоянием между наиболее удаленными отражающими структурами, расположенными на одной оси, пересекающей штыри встречно-штыревого преобразователя под прямым углом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - приведена структура чувствительного элемента для измерения температуры.
Чувствительный элемент для измерения температуры (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1, на которой сформированы отражающие структуры 2, расположенные на одной оси, пересекающей штыри встречно-штыревого преобразователя под прямым углом, ВШП 3 и отражающие структуры 4, расположенные под отличным от нуля углом к штырям встречно-штыревого преобразователя. Одна из отражающих структур 4 находится вне площади, ограниченной апертурой встречно-штыревого преобразователя и расстоянием между наиболее удаленными отражающими структурами 2, расположенными на одной оси, пересекающей штыри встречно-штыревого преобразователя под прямым углом.
Отражающие структуры 2 и отражающие структуры 4 выполнены в виде периодической системы канавок.
Пьезоплата может быть выполнена из пьезоэлектрического материала (например, кварца).
Формирование ВШП 3 реализовано по технологии фотолитографии и травления. Формирование канавок отражающих структур 2 и отражающих структур 4 реализовано по технологии травления через маску.
Устройство работает следующим образом.
При изменении температуры пьезоплаты изменяется геометрический размер штырей (электродов) ВШП 3, расстояния между электродами, ширина и период следования канавок отражающих структур 2 и отражающих структур 4. В соответствии с изменением геометрических размеров изменяется время задержки отраженного сигнала.
При поступлении зондирующего электрического сигнала от внешнего источника (на фиг.1 не показан) на ВШП 3, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 3 ПАВ распространяется от ВШП 3 к отражающим структурам 2 и отражающим структурам 4. ПАВ за пределами площади ограниченной отражающими структурами 4 распространяется перпендикулярно к штырям ВШП 3 и канавкам отражающих структур 2. Дойдя до отражающих структур 4 ПАВ изменяет направление своего распространения, а после крайней отражающей структуры 4 ПАВ опять начинает распространяться вдоль линии проходящей через ВШП 3 и отражающие структуры 2, при этом ПАВ за пределами площади ограниченной отражающими структурами 4 распространяется перпендикулярно к штырям ВШП 3 и канавкам отражающих структур 2. Дойдя до отражающих структур 2 и отражающих структур 4 ПАВ отражается и возвращается на ВШП 3.
В случае если температура чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры в области расположения ВШП 3 и отражающих структур 2 и отражающих структур 4 постоянна, то разница времен задержки запросного сигнала от различных отражающих структур 2 и отражающих структур 4 будет определяться направлением распространения ПАВ. При номинальной температуре, например 20 град. С, время задержки сигнала с двух сторон от ВШП будет одинаково. Поскольку различные срезы пьезоэлектриков имеют различные температурные коэффициенты задержки, то при распространении ПАВ в различных направлениях разница времен задержки запросного сигнала будет пропорциональна разности температурных коэффициентов задержки.
Различная задержка запросного сигнала от различных отражающих структур приведет к искажению формы сигнала, пришедшего на ВШП 3 от отражающих структур 2 и отражающих структур 4.
Как видно из фиг.1, в области за пределами площади ограниченной отражающими структурами 4, ПАВ имеет направление распространения отличное от направления распространения на площади ограниченной отражающими структурами 4.
Таким образом, при изменении температуры относительно номинального значения время задержки будет зависеть от расположения отражающих структур 2 и отражающих структур 4 относительно ВШП 3.
Оценим чувствительность предложенной топологии к внешним возмущениям - температуре.
В простейшем случае, импульсная переходная функция чувствительного элемента для измерения температуры может быть аппроксимирована выражением
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>T</mi><mo>−</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>t</mi><mo>∈</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>0,</mn><mi>T</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mn>0,</mn><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>t</mi><mo>∉</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>0,</mn><mi>T</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
1
2
Будем считать, что в интервале ненулевых значений функций S(t) (запросный сигнал) и S(t) укладывается целое число периодов, т.е. Т=2πn, где n - любое целое число. Тогда на интервале t∈[0,Т] выходной сигнал f(t) можно представить в виде
<mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>.</mo></mrow>
Оценим изменение амплитуды выходной сигнал f(t) при внешнем воздействии (изменении температуры), приводящем к изменению фазы сигнала с одной из сторон от ВШП 3 на π.
Пусть отражающие структуры 2 разнесены в N групп, например, N=24 группы (по 12 групп с каждой стороны от ВШП). Тогда увеличение амплитуды f(t) будет происходить до момента времени
p
T=T/N=T/24.
p
p
p
Следующая группа отражающих структур 2 обеспечит сдвиг сигнала на π на интервале t∈(T,2T] и к моменту времени 2T сигнал f(t) будет уменьшаться
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo></mrow></mrow></mstyle><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>+</mo></mrow></mrow></mstyle></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>ω</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>π</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
p
В рассматриваемом случае T пропорционально целому числу периодов. При достаточно большом количестве групп отражающих структур 2 с приемлемой погрешностью можно считать, что и T также содержит целое число периодов.
Для реальных отражающих структур 2 количество периодов, соответствующих одной группе отражающих структур 2, не будет меньше пяти. Поэтому погрешность предположения о целом количестве периодов не будет превышать 20%.
p
В случае равенства T целому количеству периодов результат вычислений полностью определяется значением на интервале [0,2π]
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>+</mo></mrow></mrow></mstyle><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>π</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo></mrow></mrow></mstyle></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>-</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>-</mo><mi>ω</mi><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>π</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
Если число используемых групп отражающих структур 2 равно, например, N=24, то амплитуда А выходного сигнала f(t) при изменении температуры, вызывающей сдвиг фазы на π, не превысит А/N=А/24. Таким образом, расчеты показывают, что предложенная структура на ПАВ является весьма чувствительной к изменению температуры.
В качестве информационного сигнала используется форма зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента для измерения температуры.
На основе градуировочной зависимости (форма-температура) изменению формы можно соотнести величину температуры.
Таким образом, предложенный чувствительный элемент на ПАВ для измерения температуры является высокоточным устройством для измерения температуры.
Источники информации:
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. - М: Мир, 1990, 584 с.
2. Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004 - прототип.