RU2422774C1

RU2422774C1 - Sensitive element for remote measurement

Info

Publication number: RU2422774C1
Application number: RU2010100443/28A
Authority: RU
Inventors: Георгий Владимирович Анцев (RU); Георгий Владимирович Анцев; Сергей Владимирович Богословский (RU); Сергей Владимирович Богословский; Геннадий Анатольевич Сапожников (RU); Геннадий Анатольевич Сапожников; Илья Александрович Бланк (RU); Илья Александрович Бланк; Екатерина Валерьевна Качкина (RU); Екатерина Валерьевна Качкина
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радар ммс"
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2011-06-27

Abstract

FIELD: instrument making. ^ SUBSTANCE: sensitive element for remote measurement consists of piezoelectric board on the surface of which at east one interdigital transducer and at least two reflecting structures are formed. Parameters of reflecting structures in compliance with parameters of sounding signal consisting of sequence of pulses provide for each reflecting structure the maximum reflection coefficient for one of pulses and maximum passage coefficient for the rest pulses. ^ EFFECT: owing to interference of reflected waves the pulse power of output signal of sensitive element is increased, which allows increasing the working range of sensitive element for remote measurement. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для дистанционного измерения.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in instrumentation and mechanical engineering for remote measurement.

Известен чувствительный элемент для дистанционного измерения, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1, pp.1-15], 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.A known element for remote measurement, which is a delay line on surface acoustic waves (SAWs) [1, pp.1-15], consisting of two interdigital transducers (IDT) located on the piezoelectric plate opposite each other. The period of the pins in the IDT is

, λ is the length of the surface acoustic wave, the duty cycle is 2. The delay time is used as an information signal.

Недостатком этих чувствительных элементов для дистанционного измерения - линий задержки на ПАВ - является малая дальность действия.The disadvantage of these sensitive elements for remote measurement - delay lines on the surfactant - is the short range.

Известен также чувствительный элемент для дистанционного измерения, представляющий собой одновходовый резонатор [2, стр.388-389], 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 дистанционному измерению, является малая дальность.Also known is a sensitive element for remote measurement, which is a single-input resonator [2, p. 388-389], consisting of IDT structure and metallized pin reflective structures located on both sides of IDT. The period of the pins in the reflecting structures is

, λ is the length of the surface acoustic wave, the duty cycle is 2. The intrinsic (resonant frequency of the resonator) is used as the information signal. The disadvantage of these resonators, with respect to remote measurement, is the short range.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент для дистанционного измерения, представляющий собой дисперсионную линию задержки на ПАВ [1, pp.1-15], состоящий из ВШП и расположенных на пьезоплате с одной стороны от ВШП отражающих структур (ОС) в виде системы канавок с переменным периодом, образующих дисперсионную структуру. В качестве информационного сигнала используется время задержки.The closest in technical essence to the invention is a sensitive element for remote measurement, which is a dispersion delay line for SAWs [1, pp.1-15], consisting of IDTs and reflective structures (OS) located on the piezoelectric board on one side of IDT in the form variable period groove systems forming a dispersion structure. The delay time is used as an information signal.

Недостатком этого чувствительного элемента является то, что абсолютное значение излученного чувствительным элементом импульса ограничено потерями на распространение ПАВ в материале, что приводит к ограничению дальности действия чувствительного элемента.The disadvantage of this sensitive element is that the absolute value of the pulse emitted by the sensitive element is limited by the propagation loss of the surfactant in the material, which leads to a limitation of the range of action of the sensitive element.

Задачей настоящего изобретения является увеличение импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента, что приводит к увеличению радиуса действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.The objective of the present invention is to increase the pulsed power of the output signal of the sensor, which leads to an increase in the radius of action of the sensor for remote measurement.

Важной характеристикой чувствительного элемента для дистанционного измерения является радиус действия чувствительного элемента, определяемый как максимальное расстояние между приемопередающим устройством и чувствительным элементом, на котором возможно считывание информации (измерение физической величины) с чувствительного элемента.An important characteristic of a sensing element for remote measurement is the radius of action of the sensing element, defined as the maximum distance between the transceiver and the sensing element, at which information can be read (measuring a physical quantity) from the sensing element.

Так как радиус действия пропорционален корню четвертой степени из импульсной мощности [3], то с увеличением импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента увеличится радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.Since the radius of action is proportional to the fourth root of the pulse power [3], with an increase in the pulse power of the output signal of the sensing element, the radius of action of the sensing element for remote measurement will increase.

Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе для дистанционного измерения, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, параметры отражающих структур в соответствии с параметрами зондирующего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, обеспечивают для каждой отражающей структуры максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов, что способствует увеличению импульсной мощности выходного сигнала. Увеличение импульсной мощности выходного сигнала увеличит радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.The technical result is achieved by the fact that in the sensitive element for remote measurement, consisting of a piezoelectric plate, on the surface of which at least one interdigital transducer and at least two reflective structures are formed, the parameters of the reflective structures in accordance with the parameters of the probe signal, consisting of a sequence of pulses, provide for each reflecting structure the maximum reflection coefficient for one of the pulses and the maximum transmission coefficient for the remaining impulses lsov that helps to increase the output power pulse. An increase in the pulse power of the output signal will increase the range of the sensing element for remote measurement.

Если на пути распространения ПАВ имеется неоднородность (канавка, выступ, полоска из другого материала, проводящий слой на пьезоэлектрике и т.д), то возникает рассеяние волны, поскольку падающая волна не удовлетворяет граничным условиям в области неоднородности [3, стр.96].If there is an inhomogeneity on the propagation path of the surfactant (a groove, a protrusion, a strip of another material, a conducting layer on a piezoelectric, etc.), wave scattering occurs, since the incident wave does not satisfy the boundary conditions in the inhomogeneity region [3, p. 96].

При отражении ПАВ распределение энергии между прошедшей, отраженной и рассеянными в объем волнами зависит от геометрии неоднородности и параметров среды. Располагая неоднородности периодически, можно добиться, например, того, чтобы отраженные волны складывались в фазе, а рассеянные - гасились за счет интерференции с различными фазами. Таким образом, используя мелкие канавки удается получать требуемое управление распространением волны.When SAW is reflected, the energy distribution between transmitted, reflected, and scattered waves in the volume depends on the geometry of the inhomogeneity and the parameters of the medium. By arranging the inhomogeneities periodically, it is possible to achieve, for example, that the reflected waves add up in the phase, and the scattered waves are suppressed due to interference with different phases. Thus, using small grooves, it is possible to obtain the desired control of wave propagation.

В качестве неоднородностей чаще всего используют канавки, так как, меняя глубину канавок, можно управлять коэффициентом отражения. Находят также применение системы полосок из другого материала и металлических полосок на поверхности звукопровода.Grooves are most often used as heterogeneities, since by changing the depth of the grooves, one can control the reflection coefficient. They also find the use of a system of strips of another material and metal strips on the surface of the sound duct.

Коэффициент отражения r волны Рэлея от одиночной канавки глубины h пропорционален отношению h/λ:The reflection coefficient r of the Rayleigh wave from a single groove of depth h is proportional to the ratio h / λ:

где C₁ - коэффициент, зависящий от формы канавки и параметров среды [4, стр.96].where C ₁ is a coefficient depending on the shape of the groove and the parameters of the medium [4, p. 96].

Зависимость коэффициента отражения r от размеров неоднородности (канавки, металлического штыря) носит нелинейный характер и имеет максимумы и минимумы при размерах, сопоставимых с длиной волны.The dependence of the reflection coefficient r on the size of the inhomogeneity (groove, metal pin) is nonlinear and has maxima and minima at sizes comparable to the wavelength.

При этом [5]:At the same time [5]:

,

где К_прох - коэффициент прохождения ПАВ для системы отражающих структур,where K _prox is the surfactant transmission coefficient for a system of reflective structures,

К_отр - коэффициент отражения ПАВ для системы отражающих структур.To _OTR is the reflection coefficient of a surfactant for a system of reflective structures.

Так как коэффициенты отражения и прохождения являются функциями геометрических размеров ОС и, следовательно, являются функциями частоты ПАВ, а также с учетом (2), возможно создание датчика физических величин на ПАВ, состоящего из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, отличающегося тем, что параметры отражающих структур в соответствии с параметрами зондирующего сигнала, состоящего из последовательности импульсов, обеспечивают для каждой отражающей структуры максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов, что позволит увеличить импульсную мощность выходного сигнала чувствительного элемента. Увеличение импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента увеличит радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.Since the reflection and transmission coefficients are functions of the geometric dimensions of the OS and, therefore, are functions of the frequency of the surfactant, and also taking into account (2), it is possible to create a sensor of physical quantities on the surfactant, consisting of a piezoelectric plate on the surface of which at least one interdigital a transducer and at least two reflective structures, characterized in that the parameters of the reflective structures in accordance with the parameters of the probe signal, consisting of a sequence of pulses, provide for each of reflecting structure, the maximum reflection coefficient for one of the pulses and the maximum transmission coefficient for the remaining pulses, which will increase the pulse power of the output signal of the sensing element. An increase in the pulse power of the output signal of the sensor will increase the range of the sensor for remote measurement.

То есть импульсы с заданными параметрами с минимальными потерями проходят через все отражающие структуры, кроме той, которая согласована с данным конкретным импульсом. Вследствие этого можно увеличить коэффициент отражения согласованных с сигналом ОС и увеличить мощность выходного сигнала.That is, pulses with given parameters with minimal losses pass through all reflective structures, except for one that is consistent with this particular pulse. As a result of this, it is possible to increase the reflection coefficient matched with the OS signal and increase the output signal power.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:The invention is illustrated in the drawing, where:

на Фиг.1 - приведена структура предлагаемого чувствительного элемента для дистанционного измерения с двумя типами отражающих структур;figure 1 - shows the structure of the proposed sensitive element for remote measurement with two types of reflective structures;

на Фиг.2 - приведена временная диаграмма, поясняющая принцип работы чувствительного элемента для дистанционного измерения.figure 2 is a timing chart explaining the principle of operation of the sensor for remote measurement.

Чувствительный элемент деформации для дистанционного измерения (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1, на которой сформированы ВШП 2 и отражающие структуры 3, 4 и слой поглотителя 5. Отражающие структуры 3, 4 могут быть выполнены в виде периодических канавок или в виде системы металлических штырей. Поглотитель может быть выполнен в виде демпфирующей обмазки [5].The deformation sensitive element for remote measurement (Fig. 1) consists of a piezoelectric plate 1 on which IDT 2 and reflective structures 3, 4 and an absorber layer 5 are formed. Reflective structures 3, 4 can be made in the form of periodic grooves or in the form of a system of metal pins . The absorber can be made in the form of a damping coating [5].

Пьезоплата 1 может быть выполнена из пьезоэлектрического материала (например, кварца). ВШП 2 представляет собой систему металлических электродов и выполняет роль возбуждения и приема ПАВ.The piezoelectric plate 1 can be made of a piezoelectric material (for example, quartz). IDT 2 is a system of metal electrodes and plays the role of excitation and reception of surfactants.

При этом отражающие структуры 3, 4 расположены с двух сторон от встречно-штыревых преобразователей 2.In this case, the reflecting structures 3, 4 are located on both sides of the interdigital transducers 2.

Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [4]. Могут быть использованы и другие технологические процессы формирования металлических структур на пьезоплатах. Формирование канавок отражающих структур 3, 4 реализовано по технологии травления через маску или по технологии стоп-травления [5]. ОС в виде штырей могут быть выполнены методом фотолитографии.The formation of IDT is implemented using photolithography and etching technology [4]. Other technological processes of forming metal structures on piezoelectric boards can also be used. The formation of grooves of the reflecting structures 3, 4 is realized by the technology of etching through a mask or by the technology of stop etching [5]. OS in the form of pins can be performed by photolithography.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В качестве зондирующего электрического сигнала используется последовательность импульсов. Могут использоваться, например, частотно-модулированные, фазомодулированные, амплитудно-модулированные сигналы.A sequence of pulses is used as a probe electrical signal. Can be used, for example, frequency-modulated, phase-modulated, amplitude-modulated signals.

В качестве примера рассмотрим линейно-частотно-модулированный сигнал, состоящий из n импульсов (Фиг.2), в данном примере n=2.As an example, consider a linearly-frequency-modulated signal consisting of n pulses (Figure 2), in this example n = 2.

Сигнал S длительностью t=T₂ состоит из n импульсов S_i длительностью (t_i-t_i-1), где i - порядковый номер импульса. Каждый из импульсов S_i характеризуется, например, длительностью, начальной и конечной частотами. При этом в качестве идентификационного признака каждого из импульсов S_i можно взять среднюю частоту этого импульса - f_i.A signal S of duration t = T ₂ consists of n pulses of S _{i of} duration (t _i -t _i-1 ), where i is the serial number of the pulse. Each of the pulses S _{i is} characterized, for example, by the duration, the initial and final frequencies. Moreover, as an identification feature of each of the pulses S _i, we can take the average frequency of this pulse - f _i .

С внешнего источника (на чертеже не показан) подается зондирующий электрический сигнал, т.е. последовательности зондирующих импульсов. Зондирующий импульс S₂ поступает на ВШП 2 чувствительного элемента для дистанционного измерения, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2 ПАВ, характеризующаяся средней частотой f₂, распространяется в направлении ОС 3. Дойдя до ОС 3, ПАВ отражается в значительной степени в направлении ВШП 2, преобразуется в импульс, который поступает на внешнее измерительное устройство (на Фиг.1 не показано), например сетевой анализатор Agilent Е5070 В. Часть ПАВ, прошедшая ОС 3 без отражения, дойдя до ОС 4, проходит ее с незначительным ослаблением (отражением) и поглощается слоем поглотителя 5.A probe electric signal is supplied from an external source (not shown in the drawing), i.e. probe pulse sequences. The probe pulse S _{2 is} supplied to IDT 2 of the sensing element for remote measurement, and a surfactant is formed under the influence of the piezoelectric effect. Formed IDW 2 SAW, characterized by an average frequency f ₂ , propagates in the direction of OS 3. Having reached OS 3, the SAW is reflected to a large extent in the direction of IDT 2, is converted into a pulse that is supplied to an external measuring device (not shown in Fig. 1) , for example, Agilent E5070 B network analyzer. Part of the surfactant that passed OS 3 without reflection, reaching OS 4, passes through it with a slight weakening (reflection) and is absorbed by the absorber layer 5.

Далее на ВШП 2 чувствительного элемента для дистанционного измерения поступает импульс S₁, характеризующийся средней частотой f₁, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2 ПАВ, характеризующаяся средней частотой f₂, распространяется в направлении ОС 3. Дойдя до ОС 3, ПАВ проходит ее с незначительным ослаблением (отражением) и распространяется к ОС 4. Дойдя до ОС 4, ПАВ отражается в значительной степени в направлении ОС 3. Пройдя ОС 3 с незначительным ослаблением (отражением), ПАВ поступает на ВШП 2, преобразуется в импульс, который поступает на внешнее измерительное устройство (на Фиг.1 не показано), например сетевой анализатор Agilent Е5070 В.Next, a pulse S ₁ , characterized by an average frequency f ₁ , is supplied to the IDT 2 of the sensitive element for remote measurement, and a surfactant is formed under the influence of the piezoelectric effect. The surfactant formed by IDT 2, characterized by an average frequency f ₂ , propagates in the direction of OS 3. Having reached OS 3, the surfactant passes it with slight attenuation (reflection) and extends to OS 4. Having reached OS 4, the surfactant is reflected to a significant extent in the OS direction 3. After passing OS 3 with a slight attenuation (reflection), the surfactant enters the IDT 2, is converted into a pulse that is supplied to an external measuring device (not shown in Fig. 1), for example, an Agilent E5070 B network analyzer.

Поскольку импульс S₂ поступает на ВШП 2 ранее, чем импульс S₁, а время прохождения ПАВ от ВШП 2 до ОС 4 и обратно больше, чем время прохождения ПАВ от ВШП 2 до ОС 3 и обратно, расстояния между ОС подобраны таким образом, что отраженные от ОС 3 и ОС 4 ПАВ поступают на ВШП 2 одновременно. Взаимодействие ПАВ с ОС подробно объясняется в [5].Since the impulse S ₂ arrives at IDT 2 earlier than the impulse S ₁ , and the transit time of the surfactant from IDT 2 to OS 4 and vice versa is longer than the transit time of the surfactant from IDT 2 to OS 3 and vice versa, the distances between the OS are selected so that SAWs reflected from OS 3 and OS 4 arrive at IDT 2 simultaneously. The interaction of surfactants with OS is explained in detail in [5].

Таким образом, на внешнее измерительное устройство поступают одновременно два импульса, амплитуды которых складываются.Thus, two pulses simultaneously arrive at the external measuring device, whose amplitudes add up.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату амплитуды, то импульсная мощность выходного сигнала увеличится.Since the power is proportional to the square of the amplitude, the pulse power of the output signal will increase.

Под действием измеряемой физической величины скорость распространения ПАВ под ОС 3, 4 изменяется, что приводит к изменению характеристик ПАВ и соответствующего выходного сигнала на ВШП 2.Under the influence of the measured physical quantity, the propagation velocity of the surfactant under OS 3, 4 changes, which leads to a change in the characteristics of the surfactant and the corresponding output signal on IDT 2.

Расположение ОС 3,4 с двух сторон от ВШП 2 позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением ОС, т.е. в два раза увеличить амплитуду отклика чувствительного элемента для дистанционного измерения.The location of OS 3.4 on two sides of IDT 2 allows you to use twice as much acoustic energy compared to a one-sided location of the OS, i.e. double the response amplitude of the sensing element for remote measurement.

Поскольку для импульсов с разными характеристиками параметры ОС подобраны таким образом, что для каждой отражающей структуры обеспечивается максимальный коэффициент отражения для одного из импульсов и максимальный коэффициент прохождения для остальных импульсов, достигается увеличение импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента. Увеличение импульсной мощности выходного сигнала увеличит радиус действия чувствительного элемента для дистанционного измерения.Since, for pulses with different characteristics, the OS parameters are selected in such a way that for each reflecting structure a maximum reflection coefficient is provided for one of the pulses and a maximum transmission coefficient for the remaining pulses, an increase in the pulse power of the output signal of the sensing element is achieved. An increase in the pulse power of the output signal will increase the range of the sensing element for remote measurement.

В качестве информационного сигнала могут быть использованы время задержки отклика чувствительного элемента для дистанционного измерения, центральная частота ПАВ, амплитуда сигнала.As an information signal, the delay time of the response of the sensitive element for remote measurement, the center frequency of the surfactant, the amplitude of the signal can be used.

Частота сигнала измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070 В) [5]. Время задержки измеряется, например, с помощью осциллографа. На основе градуировочной зависимости (центральная частота, время задержки - измеряемая физическая величина) изменению центральной частоты и времени задержки можно соотнести величину измеряемой физической величины.The signal frequency is measured, for example, by the amplitude-frequency characteristic (for example, using an Agilent E5070 V network analyzer) [5]. The delay time is measured, for example, using an oscilloscope. Based on the calibration dependence (center frequency, delay time — measured physical quantity), the change in the central frequency and delay time can be related to the measured physical quantity.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает увеличение радиуса действия чувствительного элемента для дистанционного измерения за счет увеличения импульсной мощности выходного сигнала чувствительного элемента.Thus, the proposed solution provides an increase in the radius of the sensor for remote measurement by increasing the pulse power of the output signal of the sensor.

Библиографические данныеBibliographic data

1. Reindl «Wireless Passive SAW Identification Marks and Sensors», 2^nd Int. Symp. Acoustic Wave for Future Mobile Communiccation Systems, Chiba Univ. 3^rd-5^th March, 2004 - прототип.1. Reindl “Wireless Passive SAW Identification Marks and Sensors”, 2 ^nd Int. Symp Acoustic Wave for Future Mobile Communiccation Systems, Chiba Univ. 3 ^rd -5 ^th March, 2004 - prototype.

2. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990, 584 с.2. Zelenka I. Piezoelectric resonators in bulk and surface acoustic waves. M .: Mir, 1990, 584 p.

3. Карийский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Сов.радио, 1975.3. Kari S.S. Signal processing devices for ultrasonic surface waves. M .: Sov.radio, 1975.

4. Распространение поверхностных акустических волн в периодических сруктурах / Ю.В.Гуляев, В.П.Плесский / Успехи физических наук. Том 157, вып.1, 1989 г.4. Propagation of surface acoustic waves in periodic structures / Yu.V. Gulyaev, VP Plessky / Advances in Physical Sciences. Volume 157, Issue 1, 1989

5. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990, 416 с.5. Morgan D. Devices for processing signals on surface acoustic waves / Per. from English M .: Radio and communications, 1990, 416 p.

Claims

A sensitive element for remote measurement, consisting of a piezoelectric board, on the surface of which at least one interdigital transducer and at least two reflective structures are formed, characterized in that the parameters of the reflective structures in accordance with the parameters of the probe signal, consisting of a sequence of pulses, provide for each reflecting structure, the maximum reflection coefficient for one of the pulses and the maximum transmission coefficient for the remaining pulses.