Способ измерения физических величин с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах
METHOD FOR MEASURING PHYSICAL VALUES USING SENSORS ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного беспроводного измерения различных физических величин, в частности температуры, давления, перемещения, магнитной индукции, ультрафиолетового излучения, концентрации газов и др., с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) при их облучения радиоимпульсами.
Из уровня техники следует, что измерение физических величин производится с помощью считывателя, который посылает опросный радиоимпульс на датчик на ПАВ (RU 2296950, 6МПК G01D 5/00, опубл. 27.02.2006 [1], RU 2387051, 6МПК H01L 41/107, G01D 5/12, опубл. 20.04.2010 [2], RU 2550697, МПК-2006.01 G01D 5/00, B82B 1/00, опубл. 10.05.2015 [3], RU 2581570, МПК-2006.01 Н03Н 9/25, опубл. 20.04.2016 [4], RU 2585487, МПК-2006.01 G01K 11/24, H01L 41/08, опубл. 27.05.2016 [5]).
7
Радиоимпульс принимается приемо-передающей антенной датчика на ПАВ и попадает приемо-передающий ВШП, расположенный на пьезоэлектрическом звукопроводе, где преобразуется в импульсы ПАВ, которые, распространяясь вдоль звукопровода, отражаются от расположенных на пути распространения ПАВ отражательных ВШП, первый из которых является опорным, а последний может быть соединен с импедансом, величина которого зависит от измеряемой физической величины. При изменении импеданса изменяется коэффициент отражения ПАВ от этого отражательного ВШП, что приводит к изменению амплитуды и фазы, отраженных от него ПАВ. Отраженные от него и от другого ВШП импульсы ПАВ приходят на приемопередающий ВШП, где они преобразуются в электромагнитный сигнал, представляющий последовательность радиоимпульсов, амплитуда и фаза которых пропорциональны амплитуде ПАВ падающих на приемо-передающий ВШП, и попадают на считыватель. Тогда, сравнивая амплитуды отраженных ПАВ от первого и последнего ВШП определяют значение измеряемой физической величины, если последний ВШП нагружен на импеданс или измеряют задержку ПАВ между первым и последним ВШП, если последний не нагружен. Амплитуда и фаза (задержка) отраженных ПАВ также может меняться, если ПАВ проходят под пленкой, расположенной между соседними отражательными ВШП. В этом случае под действием измеряемой физической величины, например, интенсивности электромагнитного излучения в видимой или ультрафиолетовой области (Wenbo Penga, Yongning Heat, Changbao Wenb, Ke Maa, Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer // Sensors and Actuators A: Physical Volume 184, September 2012, Pages 34-40 [6], US Patent 6914279, МПК H01L 29/82 от 05.06.2005 [7], US Patent 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82 от 02.08.2011 [8]). При наличии помех сигналы, отраженные от датчиков, могут быть на их уровне, и сигналы не могут быть обнаружены, так как усреднять принятые импульсы не предоставляется возможным из-за отсутствия синхронизации по частоте заполнения зондирующих импульсов, что является недостатком известных способов.
11
Указанный недостаток устранен в способе, в котором на приемопередающий ВШП датчика периодически подают зондирующий электромагнитный импульс, в котором частота дискретно меняется по линейному закону, измеряют частотную зависимость комплексного коэффициента отражения S этого преобразователя ПАВ и последующее Фурье-преобразование полученной частотной зависимости, по которому определяют амплитуду и задержку отраженных импульсов ПАВ, причем длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирается таким образом, что измерения на каждой частоте ведутся некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между ВШП, частота заполнения электромагнитного импульса формируется с помощью цифрового синтезатора частоты (RU 2569039, 6МПК G01N 29/04, опубл. 20.11.2015 [9]), совпадающий с заявляемым изобретением по большинству существенных признаков и принимаемый за прототип.
11
Согласно способу-прототипу определение значения параметра S в каждой частотной точке производится некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между ВШП, это приводит к повышению точности измерений потому, что амплитуды отраженного сигнала измеряются на определенной частоте более одного раза, а также потому, что фазы сигналов помех носят случайный характер и взаимно ослабляются за время измерения. Кроме того, из-за периодичности посылки частотно-модулированных импульсов измерение в каждой частотной точке производится несколько раз и эти измерения могут также суммироваться, что также приводит к уменьшению влияния помех на результаты измерений, а, следовательно, к повышению точности измерений.
Однако при малых относительных изменениях измеряемой физической величины (менее одного процента) коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП, нагруженного на импеданс или задержка ПАВ будет изменяться незначительно, и изменение амплитуды ПАВ отраженных от отражательного ВШП или задержки ПАВ могут оказаться меньше уровня шумов, что снижает точность измерения при слабых изменениях физической величины.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности способа измерения физических величин за счет учета в импульсном отклике вторичных отражений ПАВ.
11
Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения физических величин с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) характеризуется тем, что посылают от считывателя зондирующий электромагнитный радиоимпульс с линейно-частотной модуляцией через направленную антенну на антенну датчика на ПАВ, принимают отраженные от антенны датчика импульсы, измеряют частотную зависимость комплексного коэффициента отражения S антенны считывателя и производят Фурье-преобразование полученной частотной зависимости, представляющее импульсный отклик датчика, по которому измеряют амплитуду и временную задержку отраженных импульсов ПАВ от встречно-штыревого преобразователя (ВШП) датчика, при этом длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирают таким образом, что измерения на каждой частоте проводят некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между ВШП, частоту заполнения электромагнитного импульса формируют с помощью цифрового синтезатора частоты, входящего в считыватель, с заданной дискретностью перестройки.
Согласно изобретению в импульсном отклике датчика на ПАВ измеряют амплитуды импульсов от вторично отраженных ПАВ для датчиков, в которых один из отражательных ВШП является опорным, а другой нагружен на импеданс, значение которого зависит от физической величины, или между ВШП расположена пленка, затухание ПАВ в которой зависит от измеряемой физической величины, а отражательный опорный ВШП и отражательный ВШП не нагружены на импеданс, или временные задержки между импульсами от вторично отраженных ПАВ для датчиков, в которых отражательный опорный ВШП и отражательный ВШП не нагружены на импеданс, а временная задержка отраженных импульсов в пьезоэлектрическом звукопроводе зависит от измеряемой физической величины.
В частном случае выполнения в качестве считывателя использован измеритель комплексных коэффициентов передачи, соединенный с персональным компьютером.
Вторично отраженные от ВШП ПАВ, которые возникают из-за отражений ПАВ от приемо-передающего ВШП, которые вновь попадают на отражательные ВШП и вторично от них отражаются, попадая снова на приемо-передающий ВШП, а далее вместе с первично отраженными ПАВ через приемо-передающую антенну попадают на считыватель, где после Фурье преобразования параметра S11 получают импульсный отклик датчика ПАВ, содержащий вторичные пики отражения от опорного отражательного ВШП, отражательного ВШП, нагруженного на импеданс, величина которого зависит от измеряемой физической величины или этот ВШП не нагружен, но перед ним может быть расположена пленка, параметры которой зависят от измеряемой физической величины, далее определяют временное положение полученных пиков и отношение амплитуд этих пиков, которые пропорциональны квадрату коэффициента отражения ПАВ от ВШП, а также удвоенному затуханию ПАВ под пленкой, если она расположена перед отражательным ВШП, а расстояние между вторично отраженными ПАВ импульсами удваивается.
Измерение вторичных отражений ПАВ для повышения точности измерения физических величин не известно из уровня техники.
Заявляемый способ измерения физических величин с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах поясняется чертежами.
Фиг. 1 - схема осуществления способа с помощью датчика на ПАВ, в котором один из отражательных ВШП нагружен на импеданс.
Фиг. 2 - схема осуществления способа с помощью датчика на ПАВ, в котором между ВШП расположена пленка, параметры которой зависят от измеряемой физической величины, а ВШП не нагружен на импеданс.
Фиг. 3 - схема осуществления способа с помощью датчика опроса датчика на ПАВ, в котором между ВШП нет пленки, ВШП не нагружен на импеданс, а задержка ПАВ в пьезоэлектрическом звукопроводе зависит от измеряемой физической величины.
Фиг. 4 - последовательность действий заявляемого способа.
11
Фиг. 5 - частотная зависимость модуля коэффициента отражения S.
Фиг. 6 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости, представляющее импульсный отклик датчика измерения диэлектрической проницаемости жидкости.
Фиг. 7 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости в увеличенном масштабе по оси Y, представляющее импульсный отклик датчика измерения диэлектрической проницаемости жидкости.
Фиг. 10 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости, представляющее импульсный отклик датчика измерения интенсивности ультрафиолетового излучения.
Фиг. 11 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости в увеличенном масштабе по оси Y, представляющей импульсный отклик датчика измерения интенсивности ультрафиолетового излучения.
Фиг. 12 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости, представляющее импульсный отклик датчика на ПАВ при отсутствии излучения и при интенсивности излучения без ослабления.
Фиг. 13 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости, представляющее импульсный отклик датчика на ПАВ датчика температуры на ПАВ.
Фиг. 14 - Фурье-преобразование измеренной частотной зависимости, представляющее импульсный отклик датчика на ПАВ датчика температуры на ПАВ в увеличенном масштабе по оси Y.
Каждая схема для реализации заявляемого способа содержит считыватель 1, антенну 2, антенну датчика 3, пьезоэлектрический звукопровод 4 и расположенные на нем приемо-предающий ВШП 5, отражательные ВШП 6 и ВШП 7 в одном акустическом канале. На краях пьезоэлектрического звукопровода 5 расположены акустические поглотители 8, пьезоэлектрический звукопровод 5 вместе с ВШП 6 и ВШП 7 помещены в герметичный корпус 9. Отражательный ВШП 6 не подсоединен к импедансу и является опорным, а отражательный ВШП 7, подсоединен к импедансу 10 (Z), величина которого зависит от измеряемой физической величины (фиг. 1) или перед ним находится пленка 11, параметры которой зависят от измеряемой физической величины (фиг. 2), а ВШП 7 остается ненагруженным. ВШП 7 также остается ненагруженным, если задержка ПАВ в пьезоэлектрическом звукопроводе 4 зависит от изменяемой физической величины (фиг. 3) и между ВШП нет пленки. К считывателю 1 подсоединен компьютер 12. (фиг. 1, 2, 3).
Операции способа измерения физических величин в соответствии с фиг. 4 состоят в следующем.
11
11
11
11
2
2
2
2
Считыватель 1 через антенну 2 посылает на антенну датчика длинный радиоимпульс с линейно-изменяющейся частотой I, который попадает на приемо-предающий ВШП 5, возбуждающий ПАВ (фиг. 2-4). Причем длительность зондирующего электромагнитного импульса выбирается таким образом, что измерения на каждой частоте проводят некоторое время, за которое ПАВ проходит расстояние большее, чем удвоенное расстояние между преобразователем и дефектом, частота заполнения электромагнитного импульса формируется с помощью цифрового синтезатора частоты с дискретностью перестройки в 1 Гц для повышения точности измерения [5]. ВШП5 и отражательные ВШП 6 и 7 расположены на одном пьезоэлектрическом звукопроводе 4 в одном акустическом канале. На краях звукопровода 4 расположены акустические поглотители 8, и пьезоподложка вместе с ВШП помещена в герметичный корпус 11. Отражательный ВШП 6 не подсоединен к импедансу и является опорным, а отражательный ВШП 7, подсоединен к импедансу 10 (Z) (фиг. 1), величина которого зависит от измеряемой физической величины или перед ним находится пленка 11, параметры которой зависят от измеряемой физической величины, а ВШП 7 остается ненагруженным (фиг. 2). ВШП 7 также остается ненагруженным, если задержка ПАВ в звукопроводе зависит от изменяемой физической величины (фиг. 3). ПАВ отражаются от отражательных ВШП 6 и 7 попадают на приемо-передающий ВШП 5, где частично преобразуются в электромагнитный импульс и через антенну 3 датчика попадают на антенну считывателя 2, а далее в считыватель 1, соединенный с компьютером 12. Другая часть ПАВ вновь отражается от ВШП 5 попадают вновь на отражательные ВШП 6 и 7 и далее вторично отраженные ПАВ снова попадают на приемо-передающий ВШП 5 и через антенну 3 на антенну считывателя 2 посылается отраженный от датчика импульс II, который через антенну 2 попадает на считыватель 1, где производится измерение частотной зависимости параметра S. Электромагнитный сигнал от датчика начинает интерферировать с электромагнитным сигналом, который отражается непосредственно от электрического входа (выхода) антенны 2 считывателя, что приводит к изрезанности (появлению множества максимумов и минимумов) зависимости параметра S от частоты (см. фиг. 5), Далее данные попадают на компьютер 12, где производится Фурье-преобразование полученной частотной зависимости параметра S. Поскольку длительность радиоимпульса значительно больше задержки ПАВ между преобразователями, то полученная частотная зависимость параметра S содержит информацию не только о первично отраженных от отражательных ВШП ПАВ, но и об вторично отраженных от них ПАВ. Далее по отношению амплитуд отраженных импульсов от опорного отражательного ВШП 7 и отражательного ВШП 8, нагруженного на импеданс, величина которого зависит от измеряемой физической величины, в компьютере определяется значение физической величины, поскольку коэффициент отражения от этого ВШП зависит от величины импеданса. Также можно определить и временную задержку принятых импульсов относительно опорного импульса. Так как амплитуда импульса, отраженного от ВШП пропорциональна коэффициенту отражения ПАВ от ВШП, то амплитуда вторично отраженного импульса будет пропорциональна квадрату коэффициента отражения от ВШП, отношение амплитуд вторично отраженных импульсов ПАВ будет пропорционально отношению коэффициентов отражения ПАВ от ВШП в квадрате. Поскольку вторично отраженные ПАВ проходят вдвое большее расстояние, чем первично отраженные, задержка между опорным импульсом и вторично отраженным импульсом от ВШП 7 увеличится в два раза, вне зависимости от того, подсоединен импеданс в ВШП 7 или нет, что увеличит точность измерения физической величины, если от нее зависит задержка ПАВ в пьезоэлектрическом звукопроводе. Кроме того, в датчиках, в которых имеется между ВШП 5 и 7 пленка, скорость и затухание ПАВ в которой зависит, например, от интенсивности электромагнитного излучения в видимой или в ультрафиолетовой области [8-10], чувствительность к изменению амплитуды и задержки отраженных сигналов от интенсивности излучения существенно возрастает из-за того, что ПАВ проходит под пленкой не два, а четыре раза. Это эквивалентно увеличению длины взаимодействия ПАВ с пленкой в два раза, что позволяет увеличить чувствительность измерения затухания и задержки ПАВ в зависимости от интенсивности излучения. В датчике коэффициент отражения от ненагруженного ВШП выбирается максимальным, поэтому отношение амплитуд отраженных импульсов всегда меньше 1, а относительная амплитуда импульса, отраженного от опорного ВШП 6, принимается равной 1. Если это отношение возвести в квадрат, то оно еще больше уменьшится. Это и позволяет увеличить точность определения измеряемой физической величины за счет того, что при слабом ее изменении коэффициент отражения будет также слабо меняться, и отношение амплитуд от опорного ВШП 6 и ВШП 7 будут мало отличаться для различных значений импеданса. Но будучи возведенные в квадрат эти отношения будут отличаться сильнее. Предположим, что отношение амплитуд при одном значении физической величины равно А<1, а при другом значении - А(1-α), где α<<1. Тогда для вторично отраженных импульсов, считая относительную амплитуду вторично отраженной ПАВ от опорного ВШП единичной эти отношения соответственно равны А и [А⋅(1-2α+α)]≈(1-2α)⋅А. Нетрудно видеть из этого, что разница отношений, поделенная на величину отношения, увеличивается вдвое ,
что и повышает точность измерений.
Примеры выполнения.
В качестве считывателя использовался измеритель комплексных коэффициентов передачи (ИККП) «Обзор-103», который обеспечивает передачу и прием радиоимпульсов с линейно-частотной модуляцией длительностью 0,3-10 секунд с точностью установки частоты 1 Гц. импульсы периодически поступают на датчик на ПАВ, конструкция которого описана в патентах [1], [2] для определения диэлектрической проницаемости, в котором в качестве импеданса, нагруженного на отражательный ВШП 8 (фиг. 1) использовались последовательно соединенные индуктивность и емкость, представляющая собой две параллельные пластины размером 10×15 мм из гетинакса, фольгированные с внутренних сторон, с зазором между ними 1 мм. Жидкость заполняла зазор и изменяла емкость конденсатора, что приводило к изменению импеданса, а, следовательно, и к изменению коэффициента отражения ПАВ.
11
На фиг. 5 показана частотная зависимость параметра S антенны считывателя. Видно, что частотная зависимость представляет изрезанную кривую, что обусловлено отражениями считывающего импульса от датчика. На фиг. 6, 7 показано Фурье-преобразование этой зависимости, представляющей импульсный отклик датчика. На фиг. 6 на импульсном отклике хорошо видно, что расстояние между импульсами первичного отражения 13 и 14 вдвое меньше, чем расстояние между импульсами 15 и 15 от вторично отраженных ПАВ. Относительные амплитуды импульсов 13 и 14 равны 1,0 и 0,98 соответственно и слабо отличаются друг от друга. В то же время, как видно из фиг. 7, отношение амплитуды вторично отраженных импульсов 15 и 16 равно 0,12 и 0,115. При другом соотношении в смеси бензина со спиртом меняется диэлектрическая проницаемость и, следовательно, емкость конденсатора, представляющего импеданс Z, что и приводит к изменению коэффициента отражения ПАВ от отражательного ВШП 8, нагруженного на импеданс. На фиг. 8 показан импульсный отклик, соответствующий этому случаю. Видно, что амплитуда импульса 18, отраженного от отражательного ВШП 8, уменьшилась по сравнению с амплитудой импульса 17, отраженного от опорного ВШП 7, и стала равна 0,96. В то же время, как видно из фиг. 9, амплитуда вторично отраженного импульса 20 также уменьшилась и равна 0,111. Тогда отношение первично отраженных импульсов 18 и 14 при различных соотношениях бензина и спирта равно 0.98, а отношение вторично отраженных импульсов 20 и 16 равно 0,965. Тогда разница отношений для первично отраженных ПАВ при различных отношениях в смеси бензина и спирта равна 0,02 и 0,035, т.е. разница отношений увеличилась почти в 2 раза.
Для датчика интенсивности ультрафиолетового излучения, где между ВШП 5 и 8 (фиг. 2) расположена пленка двуокиси цинка, затухание ПАВ зависит от интенсивности ультрафиолетового излучения из-за увеличения акустоэлектронного взаимодействия между ПАВ и электронами проводимости, концентрация которых зависит от интенсивности излучения [6-8]. Вторично отраженные ПАВ проходят под пленкой расстояние в 2 раза больше, чем первично отраженные, и испытываю значительно большее затухание. Это особенно хорошо видно, когда сравниваются первично и вторично отраженные импульсы при отсутствии ультрафиолетового излучения (фиг. 12). На этом рисунке хорошо видно, что, если амплитуды первично отраженных ПАВ 23 при отсутствии излучения и при его присутствии 24 отличаются более чем в 2 раза, амплитуды вторично отраженных ПАВ уже отличаются значительно. Из фиг. 10 и 11 видно, что при ослаблении излучения в 100 раз отношение амплитуд первично отраженных ПАВ, прошедших под пленкой 22 и 23, равно 0,431/0,447=0,964, то отношение вторично отраженных ПАВ равно 0,084/0,109=0,84, что значительно легче обнаружить.
Для датчика температуры при 20°С (фиг. 3) задержка импульсов от опорного ВШП 6 имеет определенное известное значение, но при другой температуре задержка меняется. На фиг. 13 показана часть импульсного отклика для первично отраженных ПАВ датчика температуры ПАВ [10, 11] при температуре 20 и 60°С. Видно, что из-за изменения температуры задержка немного увеличилась. На фиг. 14 показаны вторично отраженные импульсы. Из-за того, что для них задержка в 2 раза больше, импульсы разошлись также на удвоенное расстояние по сравнению с расстоянием между импульсами для первично отраженных ПАВ, что позволяет более точно измерить температуру.
Источники информации
1. RU 2296950, МПК-2006.01 D5/00, дата публ. 27.02.2006.
2. RU 2387051, МПК-2006.01 H01L 41/107, G01D 5/12, дата публ. 20.04.2010.
3. RU 2550697, МПК-2006.01 G01D 5/00, В82В 1/00, дата публ. 10.05.2015.
4. RU 2581570, МПК-2006.01 Н03Н 9/25, дата публ. 20.04.2016.
5. RU 2585487, МПК-2006.01 G01K 11/24, H01L 41/08, от 27.05.2016 – прототип.
6. Wenbo Penga, Yongning Неа, Changbao Wenb, Ke Maa, Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer // Sensors and Actuators A: Physical Volume 184, September 2012, Pages 34-40.
7
7. US 6914279, МПК H01L 29/82, дата публ. 05.06.2005.
8. US 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82, публ. 02.08.2011.
9. RU 2569039, МПК-2006.01 G01N 29/04, публ. 20.11.2015.
10. RU 2585911, МПК-2006.01 G01D 5/48, дата публ. 10.06.2016.
11. CN 102313614, МПК-2006.01, G01K 11/22, дата публ. 2012.01.11.