ДАТЧИК НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ПАССИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
SURFACE ACOUSTIC WAVE SENSOR FOR WIRELESS PASSIVE MEASUREMENT OF DISPLACEMENTS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах мониторинга напряженно-деформированного состояния объектов.
Известен датчик механических напряжений, содержащий устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в виде консоли из пьезоэлектрического кварца, внешнее воздействие на которую приводит к изменению параметров устройства (Патент США №3888115 от 10.07.1975 года, МПК G01b 7/16). Недостатками данного устройства является то, что датчик является проводным, т.е. сигнал от устройства передается по кабелю, кроме того, датчик активный и требует элементы питания, кроме того, в устройстве используются линии задержки на ПАВ, а не резонаторы на ПАВ, что ухудшает точность и чувствительность устройства, кроме того, в предлагаемом устройстве отсутствуют элементы конструкции, передающие внешнее воздействие к консоли и обеспечивающие герметичность устройства на ПАВ, поэтому данное устройство не может быть использовано для проведения измерений в условиях воздействия факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.
Известен опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ с антенной, причем устройство на ПАВ может быть выполнено в виде резонаторов на ПАВ (Патент РФ №2105993 С1 от 21.12.1992 года). Недостатками данного устройства является то, что в нем отсутствуют элементы конструкции для передачи измеряемых величин, а также элементы крепления устройства на ПАВ для передачи ему измеряемых воздействий, кроме того, поскольку корпус датчика отсутствует, то устройство не работоспособно в условиях воздействия факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.
Известно устройства преобразования движения на основе задержки поверхностных акустических волн, включающие устройство на ПАВ в виде консольно закрепленной пластины, а для измерения внешнего воздействия используется относительное изменение характеристик распространения ПАВ при изгибе консоли (Патент США №3848144 от 12.11.1974 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик является проводным, т.е. сигнал от устройства передается по кабелю, кроме того, датчик активный и требует элементы питания, а в качестве устройства на ПАВ используются линии задержки на ПАВ, а не резонаторы на ПАВ, что ухудшает точность и чувствительность датчика, наконец, в предлагаемом устройстве отсутствуют элементы конструкции, передающее внешнее воздействие к устройству на ПАВ и обеспечивающие его герметичность, поэтому данное устройство не может быть использовано в условиях воздействия факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.
Известно устройство корпуса для датчика механических напряжений, включающее корпус, внутри которого расположено устройство на ПАВ с резонаторами (Патент США №7886607 от 15.02.2011 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик пригоден для измерения механических напряжений, вызванных силовыми нагрузками, например крутящим моментом вала, на котором он закреплен, и не пригоден для точных измерений перемещений, поскольку известно, что точное измерение силы, вызывающей относительное перемещение отдельных частей датчика, и точное измерение самого перемещения, которое вызвано этой силой, конфликтуют между собой, поэтому конструкция данного датчика ориентирована на точное измерение крутящего момента и не пригодна для точного измерения перемещения.
Известно устройство корпуса и датчика на поверхностных акустических волнах, включающий устройство на ПАВ, антенну и считывающее устройство, кроме того, датчик также может содержать радиометку на ПАВ (Патент США №7730772, В2 от 08.06.2010 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик пригоден для измерения механических напряжений, вызванных силовыми нагрузками, в данном случае внешним атмосферным давлением и не пригоден для точных измерений перемещений. Поскольку известно, что точное измерение силы, вызывающей относительное перемещение отдельных частей датчика, и точное измерение самого перемещения, которое вызвано этой силой, конфликтуют между собой, поэтому конструкция данного датчика пригодна для точного измерения давления и не пригодна для точного измерения перемещения.
Известен чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения, содержащий устройство на ПАВ, состоящее из двух резонаторов на ПАВ, закрепленных на консоли (Патент РФ №2401999 от 20.10.2010 года). Недостатками данного устройства является то, что устройство пригодно для измерения механических напряжений, вызванных силовыми нагрузками консоли, и не пригодно для точных измерений перемещений, поскольку известно, что точное измерение силы, вызывающей относительное перемещение отдельных частей датчика, и точное измерение самого перемещения, которое вызвано этой силой, конфликтуют между собой, поэтому конструкция датчика может обеспечивать либо точное измерение силы, либо точное измерение перемещения, кроме того, данная конструкция не технологична, поскольку предполагает пайку устройства на ПАВ к консоли, что плохо совместимо с требованиями к высокой чистоте поверхности резонаторов на ПАВ, необходимой для обеспечения высокой добротности резонаторов на ПАВ, которая, в свою очередь, обеспечивает высокую чувствительность датчика.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является датчик и/или устройство идентификации, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ, которое может выполнять функции радиометки или чувствительного элемента датчика, при этом считывающее устройство состоит из приемо-передатчика и антенны, а устройство на ПАВ содержит антенну и резонаторы на ПАВ, каждый из которых содержит встречно-штыревой преобразователь (ВШП), который электрически связывается с антенной устройства на ПАВ, и двух отражательных структур (ОС) (Патент США №5691698 от 25.11.1997 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик данной конструкции без дополнительных конструктивных элементов невозможно использовать для измерения перемещений, кроме того, поскольку у датчика отсутствует корпус, обеспечивающий герметичность устройства на ПАВ, датчик не работоспособен в реальных условиях, связанных с воздействием факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д., наконец, использование в радиометке резонаторов на ПАВ существенно ограничивает возможное число радиометок с различными кодами.
Задачей изобретения является создание датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, позволяющего проводить измерения перемещений с высокой точностью в реальных условиях, связанных с воздействием факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.
Технический результат, который будет получен при осуществлении изобретения, заключается в увеличении точности измерения перемещений в реальных условиях эксплуатации, связанных с воздействием факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.
Для достижения данного технического результата датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ, при этом считывающее устройство состоит из приемо-передатчика и антенны, а устройство на ПАВ содержит антенну и резонаторы на ПАВ, каждый из которых содержит встречно-штыревой преобразователь, который электрически связан с антенной устройства на ПАВ, и двух отражательных структур, снабжен герметичным корпусом, включающим, в том числе, основание корпуса, две гибких мембраны, выполненных, например, из бериллиевой бронзы и жестко соединенных с элементом, передающим перемещение - металлическим штоком, причем две мембраны впаяны или вклеены в две крышки, а крышки впаяны или вклеены в основание корпуса, а шток имеет выступ, который контактирует с прокладкой, выполненной из твердого вещества, например лейкосапфира, причем прокладка приклеена к устройству на ПАВ в месте контакта с выступом штока, причем устройство на ПАВ прижимается к основанию корпуса креплением, и в месте крепления между основанием корпуса и устройством на ПАВ, а также между креплением и устройством на ПАВ помещены две тонкие фторопластовые пленки, кроме того, для идентификации датчика используется радиометка в виде линии задержки на ПАВ с отражательными структурами, электрически соединенная с антенной устройства на ПАВ через согласующие элементы, кроме того, электрическое соединение элементов датчика, расположенных внутри корпуса датчика, с антенной датчика осуществляется через два металлостеклянных изолятора, впаянных в крышку корпуса.
Введение в состав датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, штока, двух мембран, двух крышек, двух металлостеклянных изоляторов, прокладки с двумя фторопластовыми пленками, прокладки, выполненной из твердого вещества, и крепления устройства на ПАВ, позволяет обеспечить новое свойство, заключающееся в герметичности датчика и точности измерения перемещения в условиях воздействия факторов окружающей среды, а использование в радиометке линии задержки с отражательными структурами вместо резонаторов на ПАВ увеличит число возможных датчиков с различными идентификационными кодами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлен чертеж устройства на ПАВ в корпусе, где обозначено
1 - основание корпуса;
2 - плата устройства на ПАВ;
3 - элементы согласования резонаторов;
4 - антенна устройства на ПАВ;
5 - крепление;
6 - фторопластовая пленка;
7 - шток с выступом;
8 - пластина из твердого вещества (например, лейкосапфира);
9 и 10 - мембраны;
11 и 12 крышки;
13 - радиометка;
14 - элементы согласования радиометки;
15 - металлостеклянные изоляторы;
П - места пайки;
на фиг.2 представлено устройство на ПАВ, где обозначено
1 - часть основания корпуса;
2 - плата устройства на ПАВ;
3 - элементы согласования резонаторов;
4 - антенна устройства на ПАВ;
F - направление и место воздействия внешнего перемещения;
ΔХ - величина перемещения края пластины с устройством на ПАВ;
на фиг.3 представлена одна из возможных конструкций радиометки в виде линии задержки с отражательными структурами с схема ее подключения к антенне, где обозначено
4 - антенна устройства на ПАВ;
13 - радиометка в виде линии задержки с отражательными структурами;
14 - элементы согласования радиометки;
на фиг.4 представлена блок-схема датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, где обозначено
2 - плата устройства на ПАВ;
4 - антенна устройства на ПАВ;
16 - устройство на ПАВ в корпусе;
17 - антенна считывающего устройства;
18 - считывающее устройство;
19 - приемо-передатчик;
20 - компьютер;
на фиг.5 представлен график калибровки одного из датчиков на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений.
Чертеж устройства на ПАВ в корпусе 16 показан на фиг.1. На основании корпуса 1 консольно закреплена плата устройства на ПАВ 2 в виде пластины из монокристаллического кварца, на котором сформированы два резонатора на ПАВ R1 и R2 (фиг.2). Возможно также использование других монокристаллических материалов, например ниобата лития, танталата лития, лангасита и т.д. Резонаторы R1 и R2 через элементы согласования 3 и металлостеклянные изоляторы 15, обеспечивающие герметичность внутренней полости корпуса, подключены к антенне 4. Резонатор R1 расположен на недеформируемой части платы 2, а резонатор R2 на деформируемой части платы 2. Плата 2 плотно прижата к основанию корпуса 1 с помощью прижима 5 с винтами. Для предохранения от повреждения платы 2 при ее деформировании в процессе измерений, между основанием корпуса 1 и платой 2, а также межу платой 2 и прижимом 5 помещены две тонкие фторопластовые пленки 6, толщиной 5-10 мкм каждая. Пленка 6 должна быть тонкой, чтобы исключить ее влияние на результаты измерений, поскольку сжатие пленки при длительном или кратковременном изгибе платы 2 может приводить к искажению результатов измерений.
Величина измеряемого перемещения передается к плате устройства на ПАВ 2 с помощью штока 7 через тонкую пластину 8 из твердого материала, например лейкосапфира. Пластина 8 исключает изнашивание материала платы 2 в месте контакта с штоком 7 в процессе эксплуатации датчика. В отсутствии пластины 8 стирание или микроцарапины пластины 2 могут привести к искажению результатов измерения с нарастанием ошибки в процессе эксплуатации. Твердость лейкосапфира по Моосу равна 9, тогда как у кварца лишь 7. Для обеспечения герметичности датчика при возможности перемещения штока 7 использованы две упругие мембраны 9 и 10, выполненные, например, из бериллиевой бронзы и закрепленные на крышках 11 и 12. Шток 7 закреплен в центре мембран 9 и 10 пайкой или клеем. Места пайки или нанесения клея обозначены П. Мембраны 9 и 10 обеспечивают перемещение штока в направлении его оси на требуемую величину (например, +-1 мм) при минимальном усилии, прикладываемом к штоку 7. Кроме того, упругие мембраны 9 и 10 вместе с направляющими основания корпуса 1 обеспечивают жесткое удержание штока 7 от перемещений в горизонтальных направлениях относительно оси штока и, таким образом, стабильность и точность результатов измерения.
R1
R2
R2
R1
Конструкция платы устройства на ПАВ 2 показана на фиг.2 и содержит два резонатора на ПАВ R1 и R2, причем каждый резонатор состоит из встречно-штыревого преобразователя, справа и слева от которого расположены отражательные структуры в виде канавок или металлических полосок. Плата 2 выполнена из пьезоэлектрического монокристалла. Резонатор на ПАВ R1 расположен на недеформируемой части платы 2, а резонатор на ПАВ R2 на деформируемой части платы 2. Плата 2 закреплена на основании корпуса 1 с помощью прижима 5 винтами. Резонансная частота f резонатора R1 зависит только от внешней температуры, а резонансная частота f резонатора R1 зависит от величины смещения ΔХ края консоли и внешней температуры, разность Δf=f-f зависит только от величины смещения ΔX края консоли.
Датчик может содержать также радиометку 13, выполненную в виде ВШП с рядом отражательных структур (фиг.3), каждая из ОС состоит из группы канавок, сформированных на пластине из пьезоэлектрического материала. Радиометка 13 через элементы согласования 14 и металлостеклянные резонаторы 15, обеспечивающие герметичность внутренней полости корпуса, также подключена к антенне 4.
Датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений работает следующим образом.
Пусть под внешним воздействием F шток 7 переместился на величину ΔX. Свободное перемещение штока обеспечивают мембраны 9 и 10. Переданное через пластину 8 это перемещение вызывает смещение края платы 2 также на величину ΔХ (фиг.2). Под воздействием прогиба платы 2 резонансная частота резонатора R2 изменится, что регистрируется опросом датчика с помощью считывающего устройства 18.
01
N
01
0N
R1
R2
Опрос датчика считывающим устройством 18 происходит следующим образом. Блок-схема датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений представлена на фиг.4. По команде с компьютера 20 считывающее устройство 18 формирует N опросных радиоимпульсов, где N равно, например, 5, с фиксированными, равноотстоящими несущими частотами f…f (например, f=433 и f=434 МГц). Длительность каждого опросного импульса зависит от добротности резонаторов и при нагруженной добротности, например, ~8000 может быть, например, ~10 мкс. Опросные импульсы через антенну 17 излучаются в направлении устройства на ПАВ в корпусе 16. Ответные сигналы устройства на ПАВ в корпусе 16 на каждый опросный радиоимпульс через антенну 17 поступают в считывающее устройство 18. Считывающее устройство 18 выполняет усиление, фильтрацию и оцифровку принятых сигналов. Оцифрованные сигналы передаются в компьютер 20, где проходят обработку в соответствии с алгоритмами, описанными ниже. В результате обработки в компьютере 20 определяются резонансные частоты резонаторов f и f, по значениям которых определяется величина перемещения ΔX.
Алгоритм определения величины перемещения ΔX включает выполнение следующих процедур.
01
N
Ввод исходных данных, полученных в результате оцифровки считывающим устройством N (например, 5) импульсных откликов датчика, полученных при опросе N радиоимпульсами с фиксированными частотами заполнения f…f.
Вычисление резонансных частот резонаторов по оцифрованным импульсным откликам:
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>R</mi><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>M</mi><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>Re</mi><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>S</mi><mn>1</mn><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo><</mo><mi>f</mi><mo><</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>R</mi><mn>2</mn></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mi>M</mi><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><mi>Re</mi><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></munderover><mrow><msubsup><mi>S</mi><mn>1</mn><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mo><</mo><mi>f</mi><mo><</mo><msub><mi>f</mi><mn>4</mn></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mn>1</mn><mi>i</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
1
2
R1
3
4
R2
где i - номер импульсного отклика от 1 до N;
- импульсный отклик датчика; T - длительность импульсного отклика (зависит от добротности используемых резонаторов); частоты f и f задают диапазон частот для поиска частоты f, при которой имеет место максимум преобразования (1); частоты f и f задают диапазон частот для поиска частоты f, при которой имеет место максимум преобразования (2).
R1
R2
R1
R2
В результате вычисления по (1) и (2) может быть получено N значений частоту f и f, при которых имеет место максимум преобразований (1) и (2). За значения частот f и f выбираются те значения, для которых максимум преобразований (1) и (2) имеет максимальную величину.
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>R</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>R</mi><mn>1</mn></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>R</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mi>a</mi><mi>x</mi><mrow><mo>{</mo><mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>R</mi><mn>2</mn></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
.
R
R2
R1
Окончательно величина деформации ΔX определяется по разности частот Δf=f-f и данным предварительной калибровки датчика:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>X</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>X</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>X</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>R</mi></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub><mo><</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>R</mi></msub><mo><</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
n
n+1
n
n+1
n
n
R
где Δf, Δf и ΔХ, ΔX - данные калибровки в виде набора разности частот резонаторов Δf и соответствующих им значений деформаций ΔХ. Калибровка проводится путем задания известных перемещений (например, с помощью прибора ППГ-3) и определения по описанному выше алгоритму соответствующих им разности частот Δf.
На фиг.5 представлен пример графика калибровки датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, изготовленного для апробации предлагаемого изобретения.
В результате испытаний опытного образца датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением, получены положительные результаты, подтверждающие высокую точность измерения перемещений. Так, при расстоянии между антенной датчика и антенной считывающего устройства, равном 5 метрам, получена погрешность определения перемещения 1 мкм при величине измеряемого перемещения от 50 мкм до 450 мкм. Точное значение перемещения определялось по прибору ППГ-3.
Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:
- датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- совокупность признаков формулы изобретения устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования датчиков перемещения, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
- конструктивная реализация датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, поскольку изготовлена и прошла испытания, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Патент США №3888115 от 10.07.1975 года, МПК G01b 7/16.
2. Патент РФ №2105993 С1 от 21.12.1992 года, МПК G01S 13/75.
3. Патент США №3848144 от 12.11.1974 года, МПК H01v 7/00.
4. Патент США №7886607 В2 от 15.02.2011 года, МПК G01L 13/02.
5. Патент США №7730772 В2 от 08.06.2010 года, МПК G01L 9/00.
6. Патент РФ №2401999 С1 от 20.10.2010 года, МПК G01L 1/16.
7. Патент США №5691698 от 25.11.1997, МПК С08В 13/14 - прототип.