RU2393444C1 - Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами - Google Patents
Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2393444C1 RU2393444C1 RU2009120754/28A RU2009120754A RU2393444C1 RU 2393444 C1 RU2393444 C1 RU 2393444C1 RU 2009120754/28 A RU2009120754/28 A RU 2009120754/28A RU 2009120754 A RU2009120754 A RU 2009120754A RU 2393444 C1 RU2393444 C1 RU 2393444C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electromagnetic signal
- mechanical deformation
- reflective structures
- reflecting structures
- structures
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения. Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами состоит из звукопровода, на поверхности которого сформированы не менее одного преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал и не менее двух отражающих структур. Отражающие структуры расположены с двух сторон от преобразователя и имеют различные импульсные переходные характеристики, при этом отражающие структуры, расположенные по одну сторону от преобразователя, имеют максимумы коэффициента отражения на таком же расстоянии (с точностью до 10%) от преобразователя, на котором отражающие структуры, расположенные по другую сторону от преобразователя, имеют минимумы коэффициента отражения. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин.
Известен чувствительный элемент датчика физических величин, 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 communication systems, Chiba univ., 2004), состоящий из двух преобразователей электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал (ПЭС), выполненных в виде 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 этого чувствительного элемента датчика физических величин (линии задержки на ПАВ) является низкая чувствительность и точность.
Известен также чувствительный элемент датчика физических величин, 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 физических величин является малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент датчика физических величин, представляющий собой дисперсионную линию задержки (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L.Reindl, 2-nd Int Symp.Acoustic wave devices for future mobile communication systems, Chiba univ., 2004), состоящую 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 датчика физических величин с отражающими структурами имеет большую чувствительность. Недостатком этих резонаторов применительно к измерению физических величин также является малая девиация информационного сигнала и, как следствие, низкая чувствительность и точность.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения физических величин прототипа - указанного чувствительного элемента датчика физических величин (дисперсионной линии задержки) 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 датчика физических величин.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе датчика физических величин с отражающими структурами, состоящем из звукопровода, на поверхности которого сформированы не менее одного преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал и не менее двух отражающих структур, отражающие структуры расположены с двух сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал и отражающие структуры, расположенные с разных сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют различные импульсные переходные характеристики, при этом отражающие структуры, расположенные по одну сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, могут иметь максимумы коэффициента отражения на таком же расстоянии (с точностью до 10%) от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, на котором отражающие структуры, расположенные по другую сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют минимумы коэффициента отражения.
Расположение отражающих структур с двух сторон от ПЭС позволяет повысить чувствительность чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами за счет большего влияния фазовых искажений на форму сигнала отклика предлагаемого чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства - чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
В настоящее время автору не известны чувствительные элементы датчика физических величин с отражающими структурами, которые позволяли бы проводить измерение физических величин с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими 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, на котором приведена структура чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами.
Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами (см. чертеж) состоит из звукопровода 1, на котором сформированы преобразователь электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал 3 и отражающие структуры 2. Отражающие структуры 2 могут быть выполнены в виде периодической системы канавок с переменным периодом.
Звукопровод 1 может быть выполнен из пьезоэлектрического материала (например, кварца).
Преобразователь электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал может быть выполнен в виде ВШП.
Отражающие структуры 2, расположенные с двух сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал 3, имеют различные импульсные переходные характеристики. При этом отражающие структуры, расположенные по одну сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, могут иметь максимумы коэффициента отражения на таком же расстоянии (с точностью до 10%) от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, на котором отражающие структуры, расположенные по другую сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют минимумы коэффициента отражения.
Формирование ВШП может быть реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 2]. Формирование канавок отражающих структур 2 реализовано по технологии травления через маску [2].
Устройство работает следующим образом. При воздействии физической величины на звукопровод 1 изменяется геометрический размер топологии (в частном случае, штырей, электродов) ПЭС 3, расстояния между элементами топологии, ширина и период следования канавок отражающих структур 2. В соответствии с изменением геометрических размеров изменяется время задержки отраженного сигнала и частотные и фазовые свойства отражающих структур 2 [1, 2]. В качестве зондирующего сигнала при использовании отражающих структур используются частотно-модулированные сигналы, структура которых соответствует топологии отражающих структур 2 [2]. При изменении топологии отражающих 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 (не показан) на ПЭС 3 формируется ПАВ. Поверхностная волна, сформированная ПЭС 3, распространяется от ПЭС 3 в двух направлениях. Дойдя до отражающих структур 2, ПАВ отражается и возвращается на ПЭС 3. Взаимодействие зондирующего ЛЧМ электрического сигнала с отражающими структурами подробно объясняется в [2]. В случае воздействия физической величины на чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами в области расположения ПЭС 3 и отражающие дисперсионные структуры 2 будет изменяться форма частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами. Форма частотно-модулированного зондирующего сигнала, обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами, будет соответствовать измененной под воздействием физической величины импульсной переходной характеристике чувствительного элемента.
Предложенная структура чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами позволяет существенно повысить чувствительность и точность датчиков физических величин.
Топология с двусторонним (относительно ПЭС) расположением отражающих структур соответствует математической модели с периодическим изменением фазы отраженного сигнала. Рассмотрим изменение дополнительной фазы (возмущающего сигнала) во времени, соответствующее синусоидальному закону:
где 
Fim1 - максимальная величина набега фазы;
d=2;
ω1=2πf1;
ω2=2πf2;
f02=466 МГц;
f01=400 МГц.
Рассмотрим зависимость амплитуды сжатого сигнала от показателя степени дополнительного набега фазы (возмущающего сигнала), вызванного гармонической деформацией при Fim1=24π (двенадцать периодов). При значениях показателя степени d, находящихся в интервале d=(0.5-1.5), амплитуда сжатого сигнала уменьшается более чем в 8 раз. При этом форма нелинейной частотной модуляции для каждого чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами будет однозначной функцией воздействующей физической величины.
Форма или величина центральной частоты частотно-модулированного зондирующего сигнала (например, ЛЧМ), обеспечивающая максимальное значение отклика по амплитуде чувствительного элемента датчика физических величин с отражающими структурами, измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070 В) [2]. Используя полученные (в результате предварительных исследований) градуировочные зависимости от изменения физической величины, изменения формы, центральной частоты зондирующего сигнала и времени задержки отраженного сигнала, можно соотнести величину измеряемой физической величины.
Таким образом, предложенный чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами является высокоточным устройством для измерения физических величин.
Источники информации
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.
Claims (1)
- Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами, состоящий из звукопровода, на поверхности которого сформированы не менее одного преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, и не менее двух отражающих структур, отличающийся тем, что отражающие структуры расположены с двух сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал и отражающие структуры, расположенные с разных сторон от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют различные импульсные переходные характеристики, при этом отражающие структуры, расположенные по одну сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют максимумы коэффициента отражения на таком же расстоянии (с точностью до 10%) от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, на котором отражающие структуры, расположенные по другую сторону от преобразователя электромагнитного сигнала в механическую деформацию и механической деформации в электромагнитный сигнал, имеют минимумы коэффициента отражения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009120754/28A RU2393444C1 (ru) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009120754/28A RU2393444C1 (ru) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2393444C1 true RU2393444C1 (ru) | 2010-06-27 |
Family
ID=42683741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009120754/28A RU2393444C1 (ru) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2393444C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2457450C1 (ru) * | 2011-03-25 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Чувствительный элемент для измерения механических напряжений |
| RU2488921C1 (ru) * | 2012-02-07 | 2013-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Способ формирования запросного сигнала для датчика на пав с отражающими структурами |
-
2009
- 2009-06-01 RU RU2009120754/28A patent/RU2393444C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2457450C1 (ru) * | 2011-03-25 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Чувствительный элемент для измерения механических напряжений |
| RU2488921C1 (ru) * | 2012-02-07 | 2013-07-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс" | Способ формирования запросного сигнала для датчика на пав с отражающими структурами |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Development of a wireless and passive temperature-compensated SAW strain sensor | |
| Borrero et al. | Design and fabrication of SAW pressure, temperature and impedance sensors using novel multiphysics simulation models | |
| CN102052986A (zh) | 无线无源声表面波阻抗负载传感器 | |
| Wang et al. | Optimal design on SAW sensor for wireless pressure measurement based on reflective delay line | |
| EP2594930B1 (en) | Wireless SAW moisture sensor | |
| RU2362980C1 (ru) | Устройство для измерения температуры | |
| Xie et al. | An embedded surface acoustic wave pressure sensor for monitoring civil engineering structures | |
| RU2393444C1 (ru) | Чувствительный элемент датчика физических величин с отражающими структурами | |
| Aftab et al. | A parallel plate dielectric resonator as a wireless passive strain sensor | |
| Li et al. | Wireless surface acoustic wave radio frequency identification (SAW-RFID) sensor system for temperature and strain measurements | |
| CN109506808A (zh) | 一种具有单调和线性输出特性的saw温度传感器及其设计方法 | |
| Oh et al. | SAW based passive sensor with passive signal conditioning using MEMS A/D converter | |
| RU2537751C2 (ru) | Чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения температуры | |
| US8922095B2 (en) | Transponder having coupled resonant modes and including a variable load | |
| RU2494358C1 (ru) | Чувствительный элемент для измерения температуры | |
| RU2457450C1 (ru) | Чувствительный элемент для измерения механических напряжений | |
| RU2396526C2 (ru) | Чувствительный элемент деформации с дисперсионными структурами | |
| RU2475716C1 (ru) | Чувствительный элемент для измерения физических величин на магнитостатических волнах | |
| Stelzer et al. | Wireless SAW sensors for surface and subsurface sensing applications | |
| Lee et al. | Surface acoustic wave based pressure sensor with ground shielding over cavity on 41° YX LiNbO3 | |
| KR20140119278A (ko) | 표면탄성파에 의한 비접촉 무전원 무선 온도 측정 방법 | |
| JP2009281975A (ja) | 弾性表面波素子及びセンサ | |
| Martinez et al. | Design and Characterization of a SAW Pressure Sensor on ST Quartz Using a Multiphysic Model | |
| RU2427943C1 (ru) | Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах | |
| RU2418276C1 (ru) | Чувствительный элемент для измерения физических величин |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110602 |