ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЕФОРМАЦИИ С ДИСПЕРСИОННЫМИ СТРУКТУРАМИ
DEFORMATION DETECTING ELEMENT WITH DISPERSION STRUCTURES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения деформации.
Известен чувствительный элемент деформации, 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. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется время задержки.
Недостатком этих чувствительных элементов деформации - линий задержки на ПАВ является низкая чувствительность и точность.
Известен также чувствительный элемент деформации, 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. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная частота резонатора). Недостатком этих резонаторов применительно к измерению деформаций является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент деформации, 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 деформации с дисперсионными структурами имеет большую чувствительность. Недостатком этих резонаторов применительно к измерению деформаций также является малая девиация информационного сигнала и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения деформаций известного чувствительного элемента деформации - дисперсионной линии задержки - прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации времени задержки ограничено геометрическими размерами пьезоплаты и потерями на распространение ПАВ в материале.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения деформации.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе деформации с дисперсионными структурами, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух дисперсионных отражающих структур, использующем в качестве информационного сигнала время задержки отклика чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами, при этом отражающие структуры расположены с двух сторон от встречно-штыревых преобразователей, а в качестве информационного сигнала дополнительно используется центральная частота частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами.
Расположение дисперсионных отражающих структур с двух сторон от ВШП позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением дисперсионных отражающих структур. Дополнительное использование в качестве информационного сигнала центральной частоты частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающего максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами, позволяет повысить точность измерений за счет комплексирования двух информационных сигналов - центральной частоты и времени задержки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства - чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
В настоящее время авторам неизвестны чувствительные элементы деформации с дисперсионными структурами, которые позволяли бы проводить измерение деформации с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена структура чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами.
Чувствительный элемент деформации с дисперсионными структурами (см. чертеж) состоит из пьезоплаты 1, на которой сформированы ВШП 3 и отражающие дисперсионные структуры 2. Отражающие дисперсионные структуры 2 выполнены в виде периодической системы канавок с переменным периодом.
Пьезоплата 1 может быть выполнена из пьезоэлектрического материала (например, кварца).
При этом отражающие дисперсионные структуры 2 расположены с двух сторон от встречно-штыревых преобразователей 3, а в качестве информационного сигнала дополнительно используется форма, а в частном случае центральная частота частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. Время задержки отклика чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами может являться идентификатором чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами.
Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 2]. Формирование канавок отражающих дисперсионных структур 2 реализовано по технологии травления через маску [2].
Устройство работает следующим образом.
При деформации пьезоплаты 1 изменяются геометрический размер штырей (электродов) ВШП 3, расстояния между электродами, ширина и период следования канавок отражающих дисперсионных структур 2. В соответствии с геометрическими размерами [1, 2] изменяются время задержки отраженного сигнала и частотные свойства отражающих дисперсионных структур 2.
В качестве зондирующего сигнала при использовании дисперсионных структур используются частотно-модулированные сигналы, структура которых соответствует топологии отражающих дисперсионных структур 2 [2]. При изменении топологии отражающих дисперсионных структур 2 будет изменяться и структура соответствующих частотно-модулированных сигналов. Наиболее часто используются линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы [2].
При поступлении зондирующего электрического сигнала от внешнего источника (на чертеже не показан) на ВШП 3 под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 3 ПАВ распространяется в двух направлениях от ВШП 3. Дойдя до отражающих дисперсионных структур 2, ПАВ отражается и возвращается на ВШП 3. Расположение дисперсионных отражающих структур 2 с двух сторон от ВШП 3 позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением дисперсионных отражающих структур, т.е. в два раза увеличить амплитуду отклика чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. Взаимодействие зондирующего ЛЧМ электрического сигнала с дисперсионными отражающими структурами подробно объясняется в [2].
В случае если деформация чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами в области расположения ВШП 3 и отражающих дисперсионных структур 2 линейна, то наиболее значительно будет изменяться центральная частота частотно-модулированного зондирующего сигнала (например, ЛЧМ), обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. В случае если деформация чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами в области расположения ВШП 3 и отражающих дисперсионных структур 2 нелинейна, то будет изменяться форма частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. В частности, в случае нелинейной деформации формой частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающей максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами, будет уже не линейно-частотная модуляция, а нелинейно-частотная модуляция. При этом форма нелинейной частотной модуляции для каждой деформации чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами будет однозначной функцией деформации.
В качестве информационного сигнала используется время задержки отклика чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. При деформации чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами время задержки будет меняться не более чем на 1% от величины времени задержки в недеформированном состоянии. В случае если топология чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами обеспечивает время задержки в недеформированном состоянии больше, чем девиация величины времени задержки в деформированном состоянии, то величина времени задержки является идентификационным признаком данного конкретного чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. Время задержки отклика чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами может являться идентификатором чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. Таким образом, время задержки может обеспечить идентификацию чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами.
Дополнительно в качестве информационного сигнала используется форма, а в частном случае центральная частота, частотно-модулированного зондирующего сигнала (например, ЛЧМ), обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами. Наличие двух измерений позволяет повысить точность определения деформации за счет комплексирования двух информационных сигналов - формы (например, центральной частоты) и времени задержки.
Форма, или в частном случае величина центральной частоты частотно-модулированного зондирующего сигнала (например, ЛЧМ), обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента деформации с дисперсионными структурами, измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070В) [2]. Время задержки измеряется, например, с помощью осциллографа. На основе градуировочной зависимости (форма, центральная частота, время задержки - деформация) изменению формы, центральной частоты и времени задержки можно соотнести величину деформации.
Таким образом, предложенный чувствительный элемент деформации с дисперсионными структурами является высокоточным устройством для измерения деформации.
Библиография
1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.
2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990, 416 с.