RU2758341C1 - Пассивный беспроводный датчик магнитного поля на поверхностных акустических волнах - Google Patents

Пассивный беспроводный датчик магнитного поля на поверхностных акустических волнах Download PDF

Info

Publication number
RU2758341C1
RU2758341C1 RU2021105019A RU2021105019A RU2758341C1 RU 2758341 C1 RU2758341 C1 RU 2758341C1 RU 2021105019 A RU2021105019 A RU 2021105019A RU 2021105019 A RU2021105019 A RU 2021105019A RU 2758341 C1 RU2758341 C1 RU 2758341C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
idt
impedance
acoustic channel
magnetic induction
saw
Prior art date
Application number
RU2021105019A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Анатольевич Калинин
Геворк Яковлевич Карапетьян
Василий Олегович Кислицын
Original Assignee
Научно-Технический Центр "Радиотехнических Устройств И Систем" С Ограниченной Ответственностью
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-Технический Центр "Радиотехнических Устройств И Систем" С Ограниченной Ответственностью filed Critical Научно-Технический Центр "Радиотехнических Устройств И Систем" С Ограниченной Ответственностью
Application granted granted Critical
Publication of RU2758341C1 publication Critical patent/RU2758341C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/125—Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H03H9/14502—Surface acoustic wave [SAW] transducers for a particular purpose
    • H03H9/14505—Unidirectional SAW transducers

Abstract

Изобретение относится к пассивным пьезоэлектрическим датчикам. Датчик магнитной индукции содержит герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в первом акустическом канале расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну через выводы в корпусе, которая расположена вне герметичного корпуса, отражательный ВШП и расположенный вне герметичного корпуса импеданс. На рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода параллельно первому акустическому каналу, который является измерительным, введен второй – опорный акустический канал, где расположены еще один приемопередающий ВШП, соединенный через выводы в корпусе с другой антенной, и отражательный ВШП, причем импеданс через выводы в корпусе подсоединен к приемопередающему ВШП, находящемуся в измерительном акустическом канале, при этом расстояние между ВШП в параллельных измерительном и опорном акустических каналах отличаются на величину не менее чем на N
Figure 00000003
, где
Figure 00000003
 – длина ПАВ на центральной частоте ВШП, расположенного в опорном акустическом канале, N – размер ВШП вдоль направления распространения ПАВ в длинах ПАВ (
Figure 00000003
), все ВШП выполнены однонаправленными. Разность центральных частот ВШП в разных акустических каналах составляет не менее f 0/N, где большая f 0 – центральная частота ВШП в опорном акустическом канале. Технические результаты – повышение дальности считывания, чувствительности и точности измерения магнитной индукции электромагнитного поля. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к пассивным пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного беспроводного контроля по радиоканалу различных физических величин, в частности магнитной индукции электромагнитного поля.
Уровень техники
Известны датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащие корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода (см. [1] Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V.32, N 12. - P.21-37.; cм. [2] патент РФ №2132584, МПК H01L 41/18, опубл. 27.06.1999). В одном из датчиков звукопровод с ВШП на рабочей поверхности представляет собой линию задержки, которая включается в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от температуры или от величины деформации звукопровода [1]. Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое и осуществляет дистанционный контроль. Устройство другого датчика [2] аналогично, только между ВШП расположена пленка, которая может избирательно поглощать различные вещества. В этом случае датчик может контролировать появления различных веществ. При этом корпус не может быть сделан герметичным, что снижает надежность датчика, так как различные агрессивные вещества могут разрушать металлическую пленку, из которой сделаны ВШП. Так как в состав датчика входит усилитель, то датчику необходим источник питания, который необходимо периодически менять и который может отказать (разрядиться) в непредусмотренное для этого время, что снижает надежность датчика. Кроме того, наличие в усилителе полупроводниковых элементов может привести к выходу его из строя при наличии ионизирующего излучения, что также понижает надежность датчика.
Устранить указанные недостатки позволяет устройство, в котором корпус выполнен герметичным, один из ВШП является однонаправленным и нагружен на приемо-передающую антенну, расположенную вне герметичного корпуса, а другой ВШП выполнен с расщепленными штырями и нагружен на импеданс, значение которого зависит от того физического воздействия, величину которого необходимо проконтролировать и который расположен вне герметичного корпуса, а величина импеданса может быть чувствительна к температуре, давлению, влажности, ионизирующему излучению, электромагнитному излучению, наличию различных веществ (см. [3] патент РФ №2296950, МПК G01D 5/00, опубл. 10.04.2007).
В данном устройстве коэффициент отражения зависит от величины импеданса, величина которого зависит от измеряемой физической величины. Так как корпус герметичный, ВШП и подложка изолированы от окружающей среды, что повышает надежность датчика. Отсутствие в датчике полупроводниковых элементов делает этот датчик малочувствительным к ионизирующему излучению. Отсутствие источника питания позволяет располагать данный датчик в труднодоступных местах лишь однажды. Опрос датчика производится с помощью считывателя, посылающего опрашивающий электромагнитный импульс, который принимается антенной датчика и преобразуется в поверхностные акустические волны (ПАВ), которые, отражаясь от отражательного ВШП, принимаются приемо-передающим ВШП и снова преобразуются в электромагнитный сигнал, который принимается приемником считывателя. Величина этого сигнала, очевидно, зависит от коэффициента отражения, который, в свою очередь, зависит от величины импеданса, нагруженного на отражательный ВШП. Этот импеданс, в свою очередь, зависит от измеряемой физической величины, например, величины индукции магнитного поля. Таким образом, по величине отраженного от датчика импульса можно судить об измеряемой величине магнитной индукции. Однако амплитуда принятого считывателем импульса будет зависеть не только от коэффициента отражения, а, следовательно, и величины импеданса, но и от расстояний и взаимного расположения антенн датчика и считывателя, что может привести к значительным ошибкам при измерении индукции магнитного поля и является существенным недостатком данного датчика.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения, взятым за прототип, является датчик физических величин на поверхностных акустических волнах (см. [4] патент РФ №2387051, МПК H01L 41/107, G01D 5/12, опубл. 20.04.2010). На расстоянии отличном от расстояния между приемо-передающим и отражательным ВШП, но с другой стороны приемо-передающего ВШП располагают еще один отражательный ВШП. Этот ВШП не подсоединяется к какому-либо импедансу. Коэффициент отражения от него все время остается постоянным. Тогда коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП, нагруженного на импеданс измеряется относительно коэффициента отражения отражательного ВШП, находящегося с другой стороны приемо-передающего ВШП. Тогда амплитуды импульсов, принятых считывателем, которые обусловлены отражениями ПАВ от обоих отражательных ВШП, хотя и будут зависеть от расстояния между считывателем и датчиком, их отношение от этого расстояния зависеть не будет и будет определяться только изменением коэффициента отражения отражательного ВШП, нагруженного на импеданс, величина которого чувствительна к магнитному полю. Недостатком данного датчика является, то что при слабых изменениях коэффициента отражения из-за магнитного поля отношение амплитуд импульсов, принятых считывателем, будет изменятся очень слабо, что сделает невозможным определение индукции магнитного поля в условиях реальной помеховой обстановки и понизит чувствительность датчика и точность измерения магнитной индукции.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создании датчика, лишенного указанных в аналогах и прототипе недостатков.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности измерения магнитной индукции электромагнитного поля.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет пассивного беспроводного датчика дистанционного контроля по радиоканалу величины магнитной индукции электромагнитного поля на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащего герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в первом акустическом канале расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну через выводы в корпусе, которая расположена вне герметичного корпуса, отражательный ВШП, и расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине магнитной индукции, при этом на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода, параллельно первому акустическому каналу, который является измерительным, введен второй – опорный акустический канал, где расположены еще один приемо-передающий ВШП соединенный через выводы в корпусе с другой антенной и отражательный ВШП, причем импеданс через выводы в корпусе подсоединен к приемо-передающему ВШП, находящемуся в измерительном акустическом канале, при этом расстояние между ВШП в параллельных измерительном и опорном акустических каналах отличаются на величину не менее чем на Nλ, где λ – длина ПАВ на центральной частоте ВШП, расположенного в опорном акустическом канале, N – размер ВШП вдоль направления распространения ПАВ в длинах ПАВ (λ), все ВШП выполнены однонаправленными, причем разность центральных частот ВШП в разных акустических каналах составляет не менее f 0/N, где большая f 0 – центральная частота ВШП в опорном акустическом канале.
Также технический результат достигается за счет того, что однонаправленные ВШП выполнены с внутренними отражателями.
Также технический результат достигается за счет того, что импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности с сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля, подстроечного конденсатора и конденсатора, емкость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля.
Также технический результат достигается за счет того, что импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности с ферритовым сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля и подстроечного конденсатора.
Также технический результат достигается за счет того, что импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности, индуктивность которой не зависит от величины магнитной индукции, подстроечного конденсатора и мембранного конденсатора, емкость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – конструкция датчика магнитного поля.
Фиг. 2 – частотная зависимость параметра S11 измерительного акустического канала датчика, когда импеданс, зависящий от величины магнитного поля, подсоединен к отражательному ВШП. Сплошная линия – магнитного поля нет, пунктирная линия - магнитное поле есть с величиной магнитного поля 0,2Т (Параметр S11 – это отношение амплитуды отраженной от антенны датчика электромагнитной волны к амплитуде, падающей на эту антенну электромагнитной волны).
Фиг. 3 – импульсный отклик измерительного акустического канала датчика, когда импеданс, зависящий от величины магнитного поля, подсоединен к отражательному ВШП. Сплошная линия – магнитного поля нет, пунктирная линия - магнитное поле есть с величиной магнитного поля 0,2 Т.
Фиг. 4 – частотная зависимость параметра S11 измерительного акустического канала датчика, когда импеданс, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности с ферритовым сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля и подстроечного конденсатора, подсоединен к его приемо-передающему ВШП.
Фиг. 5 – частотная зависимость параметра S11 опорного акустического канала датчика.
Фиг. 6 – импульсный отклик датчика, в котором магнитная проницаемость сердечника катушки индуктивности импеданса зависит от величины индукции магнитного поля.
Фиг. 7 – зависимость индукции магнитного поля от расстояния до полюса постоянного магнита.
Фиг. 8 – конструкция мембранного конденсатора.
Фиг. 9 – зависимость коэффициента отражения ПАВ от отражательного ВШП от емкости мембранного конденсатора.
Фиг.10 – частотная зависимость параметра S11 антенны датчика, к которой подсоединен приемо-передающий ВШП измерительного акустического канала, подсоединенный к импедансу, состоящему из последовательно соединенных катушки индуктивности, индуктивность которой не зависит от величины магнитной индукции, подстроечного конденсатора и мембранного конденсатора, емкость которого зависит от величины магнитной индукции.
Фиг. 11 – импульсный отклик датчика, в котором от магнитного поля зависит емкость мембранного конденсатора импеданса.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 – пьезоэлектрический звукопровод, 2 – приемо-передающий ВШП в опорном акустическом канале, 3 – выводы корпуса, 4 – герметичный корпус датчика, 5 – антенна опорного акустического канала, 6 – отражательный ВШП в опорном акустическом канале, 7 – приемо-передающий ВШП в измерительном акустическом канале, 8 – антенна измерительного акустического канала, 9 – катушка индуктивности с сердечником, 10 – подстроечный конденсатор, 11 – конденсатор, емкость которого может зависеть от величины магнитной индукции внешнего магнитного поля, 12 – отражательный ВШП в измерительном акустическом канале; 13 – пунктирная линия на фиг. 4 при отсутствии магнитного поля; 14 – сплошная линия на фиг. 4 при магнитной индукции поля В=0,1 Т; 15 – линия на фиг. 5 при отсутствии и наличии магнитного поля В=0,1 Т; 16 – линия на фиг. 6 показывающая импульс, отраженный от антенны датчика, подсоединенной к приемо-передающему ВШП в опорном акустическом канале, обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП в опорном акустическом канале; 17 – линия на фиг. 6 показывающая импульс, отраженный от антенны датчика, которая соединена с ВШП, подсоединенного к импедансу, обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП в измерительном акустическом канале в отсутствии магнитного поля; 18 – линия на фиг. 6 показывающая импульс, отраженный от антенны датчика, которая соединена с ВШП, подсоединенного к импедансу обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП в измерительном акустическом канале при магнитной индукции В=0,2 Т; 19 – линия показывающая N-полюс магнита; 20 – линия показывающая S-полюс магнита; 21 – основание мембранного конденсатора; 22 – центральный электрод; 23 – крайние электроды; 24 – упругая мембрана; 25 – магнитный материал; 26 – линия на фиг. 9 показывающая зависимость коэффициента отражения ПАВ от отражательного ВШП от емкости мембранного конденсатора; 27 – линия на фиг. 10 при магнитной индукции В=0,02 Т; 28 – линия на фиг. 10 в отсутствии магнитного поля; 29 – импульс, отраженный от антенны датчика в опорном акустическом канале, подсоединенной к приемо-передающему ВШП, обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП; 30 – импульс, отраженный от антенны датчика измерительного акустического канала, которая соединена с ВШП, подсоединенным к импедансу, обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП, в отсутствии магнитного поля; 31 – импульс, отраженный от антенны датчика в измерительном акустическом канале, которая соединена с ВШП, подсоединенным к импедансу, обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП, при магнитной индукции В=0,02 Т.
Осуществление изобретения
Пассивный беспроводной датчик (см. фиг.1) содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на полированной поверхности которого в опорном акустическом канале расположен приемо-передающий ВШП 2, который через выводы 3 в герметичном корпусе 4 соединен с приемо-передающей антенной 5 опорного акустического канала. Отражательный ВШП 6 расположен в одном акустическом канале с приемо-передающим ВШП 2. Приемо-передающий ВШП 7 в измерительном акустическом канале подсоединен через выводы в герметичном корпусе к приемо-передающей антенне 8 измерительного акустического канала и к импедансу. При этом возможно несколько вариантов выполнения импеданса. Первый вариант, когда импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности 9 с сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля, подстроечного конденсатора 10 и конденсатора 11, емкость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля. Второй вариант, когда импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности 9 с ферритовым сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции и подстроечного конденсатора 10. Третий вариант, когда импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности 9, индуктивность которой не зависит от величины магнитной индукции, подстроечного конденсатора 10 и мембранного конденсатора 11 (фиг. 8), емкость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля. Любой из трех вариантов выполнения импеданса позволяет достигать поставленный технический результат. Отражательный ВШП 12 расположен в одном акустическом канале с приемо-передающим ВШП 7, т.е. в измерительном акустическом канале. Расстояние между ВШП в измерительном акустическом канале отличается от расстояния между ВШП в опорном акустическом канале на величину не менее чем на Nλ, где λ – длина ПАВ на центральной частоте ВШП, которые расположены в опорном акустическом канале, N – размер ВШП вдоль направления распространения ПАВ в длинах ПАВ (λ), все ВШП выполнены однонаправленными, причем разность центральных частот ВШП в разных акустических каналах составляет не менее f0/N, где большая f0 – центральная частота в опорном акустическом канале.
Датчик работает следующим образом.
На датчик от считывателя подаются по радиоканалу два импульсных радиосигнала с одинаковой относительной полосой частот и с центральными частотами соответствующими центральным частотам ВШП в разных акустических каналах. Эти радиосигналы принимаются антеннами 5 и 8. Далее они преобразуются приемо-передающими ВШП 2 и 7 в акустические сигналы ПАВ, которые распространяются по пьезоэлектрическому звукопроводу 1 и отражаются от отражательных ВШП 6 и 12. Далее эти сигналы (импульсы) ПАВ поступают на приемо-передающие ВШП 2 и 7 и снова преобразуются в радиосигналы и по радиоканалу поступают на считыватель.
В опорном акустическом канале отражательный ВШП 6 и приемо-передающий ВШП 2 не подсоединены к импедансу, величина которого зависит от магнитной индукции внешнего электромагнитного поля. Поэтому амплитуда, отраженного от датчика через антенну 5 радиосигнала не будет зависеть от магнитной индукции внешнего электромагнитного поля.
Так как к приемо-передающему ВШП 7 подсоединен импеданс, который меняет коэффициент передачи ВШП 7, амплитуда ПАВ импульсов будет зависеть от величины импеданса, подсоединенного к ВШП 7. ПАВ отраженные от отражательного ВШП 12 вновь поступают на приемо-передающий ВШП 7, к которому подсоединен импеданс, и коэффициент передачи которого зависит от величины этого импеданса. То есть, импеданс влияет на амплитуду радиоимпульса, отраженного от датчика дважды: при приеме радиоимпульса от считывателя и при его переизлучении после преобразования ПАВ. Это приводит к тому, что при изменении величины импеданса под действием магнитного поля его влияние на отраженный от датчика импульс увеличивается по сравнению со случаем, когда импеданс, чувствительный к магнитной индукции внешнего электромагнитного поля, подсоединен к отражательному ВШП. Кроме того, изменение величины импеданса под действием внешнего электромагнитного поля приводит к рассогласованию импеданса приемопередающего ВШП измерительного акустического канала с импедансом антенны, что дополнительно приводит к изменению параметра S11 антенны 8. На фиг. 2 и 3 показано, что при воздействии на импеданс, подсоединенному к отражательному ВШП измерительного акустического канала датчика, магнитным полем с индукцией в 0,2Т частотная и временная зависимости почти не изменяются (как в прототипе), в то время как при подсоединении импеданса к приемо-передающему ВШП измерительного акустического канала изменение параметра S11 и импульсного отклика будут значительными (фиг.4, кривые 13, 14 и фиг.6, кривые 17,18).
Импеданс (фиг.1) может состоять из последовательно соединенных катушки индуктивности с сердечником 9, магнитная проницаемость которого может зависеть от величины индукции магнитного поля, подстроечного конденсатора 10 и конденсатора 11, емкость которого также может зависеть от величины индукции магнитного поля. Емкость подстроечного конденсатора 10 подбирается таким образом, чтобы на частотной зависимости параметра S11 размах изрезанности был максимален, что приведет к максимальной амплитуде отраженного от датчика импульса.
Если в качестве импеданса используется последовательно соединенные катушка индуктивности с ферритовым сердечником и подстроечный конденсатор, то изменение импеданса происходит из-за изменения индуктивности катушки 9 вследствие изменения магнитной проницаемости сердечника потому, что индуктивность пропорциональна магнитной проницаемости сердечника. Так как магнитная проницаемость значительно изменяется при магнитном насыщении, то изменение импеданса, которое приводит к заметному изменению коэффициента отражения считывающего импульса от датчика, происходит при достаточно больших значениях магнитной индукции (десятые доли тесла).
Импеданс (фиг.1) также может состоять из последовательно соединенных катушки индуктивности 9, индуктивность которой не зависит от магнитной индукции, подстроечного конденсатора 10 и мембранного конденсатора 11, емкость которого зависит от величины магнитной индукции. Так как под действием магнитного поля упругая мембрана 24 (фиг.8) деформируется из-за прикрепленного к ней магнитного материала 25, то это приводит к изменению расстояния между мембранным крайним и центральным электродами 23 и 22, а, следовательно, к изменению емкости конденсатора и импеданса, подсоединенного к ВШП 7. В этом случае величина магнитной индукции, которая будет приводить к заметному изменению импеданса будет зависеть от упругости мембраны и может быть значительно меньше, чем в случае, когда в качестве магниточувствительного элемента служит катушка индуктивности с ферритовым сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля.
Так как расстояние между ВШП в параллельных акустических каналах отличаются не менее чем на Nλ (λ – длина ПАВ на центральной частоте ВШП, N – размер ВШП вдоль направления распространения ПАВ в длинах ПАВ), отраженные от датчика импульсы не будут перекрываться, поскольку задержки отраженных сигналов от параллельных акустических каналов (через антенны 5 и 8) будут отличаться на величину, равную удвоенному времени распространения ПАВ под ВШП 2, а длительность опрашивающего радиоимпульса не превышает времени распространения ПАВ под ВШП 2. Если в качестве опрашивающего импульса используется радиоимпульс с линейно-частотной модуляцией (см. [5] патент РФ №2629892, МПК H01L 31/00, от 04.09.2017), то в Фурье преобразовании частотной зависимости параметра S11 антенн 5 и 8 получающиеся импульсы не перекрываются (фиг. 6).
Так как центральные частоты ВШП 2, 6 и ВШП 7, 12, находящихся в разных акустических каналах (фиг. 1) отличаются на величину f0/N, то полосы пропускания этих ВШП не перекрываются и, следовательно, частотные зависимости параметров S11 антенн 5 и 8 также не перекрываются (см. фиг. 4 и 5). Поэтому антенны 5 и 8 не будут влиять друг на друга и связь через них между приемо-передающими ВШП в параллельных акустических каналах будет пренебрежимо малой. Это приведет к тому, что амплитуды отраженных от датчика радиоимпульсов будут больше по сравнению со случаем, когда приемо-передающие ВШП в параллельных акустических каналах были бы подсоединены к одной антенне. Это привело бы к взаимному шунтированию импеданса антенны емкостью приемо-передающего ВШП, центральная частота которого на данный момент не соответствует центральной частоте опрашивающего радиоимпульса, а, следовательно, и к уменьшению амплитуды отраженного от датчика импульса, что в свою очередь приведет к уменьшению дальности считывания и/или уменьшению динамического диапазона работы датчика.
Так как все ВШП выполнены однонаправленными, то ПАВ будет излучаться преимущественно только в сторону отражательных ВШП, что приведет к уменьшению потерь на преобразование импульсов ПАВ в радиоимпульсы, а, следовательно, к увеличению дальности считывания датчиков считывателем. Однонаправленные ВШП предпочтительнее изготавливать с внутренними отражателями, где зазоры и ширины электродов не сильно отличались от четверти длины ПАВ (см. [6] патент РФ №2195069, МПК H03H 9/145, опубл. 20.12.2002), чтобы дать возможность повысить диапазон рабочих частот и уменьшить размеры антенн.
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, а временные характеристики получались как Фурье-преобразование частотных зависимостей параметра S11 [5].
В датчике пьезоэлектрический звукопровод 1 представлял собой подложку ниобата лития YX/128o среза. На полированной поверхности этой подложки в параллельных акустических каналах располагались однонаправленные ВШП 2, 6 и ВШП 7, 12 соответственно. ВШП опорного акустического канала 2, 6 имели центральную частоту 107,5 МГц, а ВШП измерительного акустического канала 7, 12 - 97 МГц. Длина всех ВШП в длинах ПАВ была равна N=32. В этом случае разность центральных частот равна 107,5-97=10,5 МГц, что больше f0/N=107,5/32=3,36 МГц, так что частотные зависимости параметра S11 в обоих каналах не перекрываются (см. фиг. 4 и фиг. 5). При приближении к катушке индуктивности 9 с ферритовым сердечником постоянного магнита на расстояние около 1 мм, при котором магнитная индукция в сердечники примерно равна 0,2 Т частотная зависимость параметра S11 заметно изменяется (фиг. 4). Фурье преобразование частотных зависимостей параметров S11 дает полный импульсный отклик датчика (фиг. 6). На этом отклике хорошо видно, что амплитуда отраженного от датчика импульса при магнитном поле уменьшается в 2,7 раза. Также хорошо видно, что импульс, отраженный от датчика обусловленный отражением ПАВ в параллельном акустическом канале от ВШП 6 не перекрывается с импульсами измерительного акустического канала, так как расстояние между ВШП в опорном акустическом канале отличается от расстояние между ВШП в измерительном акустическом канале на величину большую, чем Nλ, Катушка индуктивности была изготовлена из пластикового цилиндра диаметром 6 мм с ферритовым сердечником и содержала 6 витков медного проводника диаметром 0,2 мм.
Также, в качестве импеданса использовались последовательно соединенные катушка индуктивности, индуктивность которой не зависит от магнитного поля, подстроечный конденсатор и мембранный конденсатор, емкость которого зависит от величины индукции магнитного поля. Мембранный конденсатор представлял собой основание 21 на поверхности которого расположены центральный электрод 22 и крайние электроды 23, которые соединены с мембранным электродом 24, на котором закреплен магнитный материал 25 (Фиг.8). Под действием магнитного поля этот материал перемещался, что приводило к изменению расстояния между мембранным электродом 24 и центральным электродом 22, а, следовательно, и к изменению емкости мембранного конденсатора. Это приводило к изменению значения импеданса, а значит к изменению коэффициента передачи ВШП 7 (фиг.1) и амплитуды отраженного от датчика опросного импульса, по изменению которого можно судить о величине магнитной индукции. На фиг. 9 показана зависимость коэффициента отражения ПАВ от ВШП, когда его импеданс представляет собой последовательно соединенные катушку индуктивности и емкость. Хорошо видно, что в некотором интервале емкостей коэффициент отражения ВШП изменяется почти в 2 раза. Отсюда следует, что при изменении емкости в импедансе, подсоединенном к приемо-передающему ВШП 7 (фиг. 1) это изменение будет еще больше, как об этом говорилось выше, когда речь шла о влиянии импеданса на приемо-передающий ВШП. Мембранный конденсатор (фиг. 8) представлял собой стеклотекстолитовую плату 21, на одной из поверхностей которой были сформированы центральный и крайние электроды 22 и 23. В качестве упругой мембраны 24 использовалась медная фольга толщиной 0,05 мм, а в качестве магнитного материала 25 использовался фрагмент стального материала толщиной не более 0,03 мм. Центральный электрод 22 имел размеры 1х1 см. Зазор между мембранным и центральным электродами был равен 0,3 мм.
На фиг. 10 видно, что параметр S11 антенны в измерительном акустическом канале (кривые 27 и 28) значительно изменяется при воздействии на конденсатор 11 (фиг.1) магнитного поля с индукцией 0,01Т, что значительно чувствительней, чем в предыдущем случае, когда под действием магнитного поля менялась индуктивность. Как следует из фиг.7 и фиг. 10 величина отраженного от датчика импульса изменяется более чем в два раза (кривые 30 и 31 на фиг. 11) при поднесении постоянного магнита к конденсатору на расстояние 13 мм, а опорный импульс 29 при этом не изменяется.

Claims (5)

1. Пассивный беспроводный датчик дистанционного контроля по радиоканалу величины магнитной индукции электромагнитного поля на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в первом акустическом канале расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну через выводы в корпусе, которая расположена вне герметичного корпуса, отражательный ВШП и расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине магнитной индукции, отличающийся тем, что на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода параллельно первому акустическому каналу, который является измерительным, введен второй – опорный акустический канал, где расположены еще один приемопередающий ВШП, соединенный через выводы в корпусе с другой антенной, и отражательный ВШП, причем импеданс через выводы в корпусе подсоединен к приемопередающему ВШП, находящемуся в измерительном акустическом канале, при этом расстояние между ВШП в параллельных измерительном и опорном акустических каналах отличаются на величину не менее чем на N
Figure 00000001
, где
Figure 00000002
 – длина ПАВ на центральной частоте ВШП, расположенного в опорном акустическом канале, N– размер ВШП вдоль направления распространения ПАВ в длинах ПАВ (
Figure 00000002
), все ВШП выполнены однонаправленными, причем разность центральных частот ВШП в разных акустических каналах составляет не менее f0/N, где большая f0 – центральная частота ВШП в опорном акустическом канале.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что однонаправленные ВШП выполнены с внутренними отражателями.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности с сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля, подстроечного конденсатора и конденсатора, емкость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности с ферритовым сердечником, магнитная проницаемость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля и подстроечного конденсатора.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что импеданс выполнен в виде последовательно соединенных катушки индуктивности, индуктивность которой не зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля, подстроечного конденсатора и мембранного конденсатора, емкость которого зависит от величины магнитной индукции внешнего электромагнитного поля.
RU2021105019A 2018-07-27 2018-07-27 Пассивный беспроводный датчик магнитного поля на поверхностных акустических волнах RU2758341C1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2018/000502 WO2020022925A1 (ru) 2018-07-27 2018-07-27 Пассивный беспроводный датчик магнитного поля на поверхностных акустических волнах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758341C1 true RU2758341C1 (ru) 2021-10-28

Family

ID=69181756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021105019A RU2758341C1 (ru) 2018-07-27 2018-07-27 Пассивный беспроводный датчик магнитного поля на поверхностных акустических волнах

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2758341C1 (ru)
WO (1) WO2020022925A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112345624A (zh) * 2020-10-27 2021-02-09 北京信息科技大学 一种基于巨磁阻效应的高灵敏度金属磨损颗粒检测传感器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144332A (en) * 1992-01-03 2000-11-07 Siemensn Aktiengesellschaft Passive surface wave sensor which can be wirelessly interrogated
EP0815469B1 (de) * 1996-01-18 2002-11-06 HERA Rotterdam B.V. Verfahren zum durchführen einer berührungslosen fernabfrage
US20060049714A1 (en) * 2004-09-03 2006-03-09 James Liu Passive wireless acoustic wave chemical sensor
WO2006138662A1 (en) * 2005-06-17 2006-12-28 Honeywell International Inc. Passive acoustic wave sensor system
RU2326404C2 (ru) * 2005-03-03 2008-06-10 Зао "Нпп "Элко" Устройство идентификации на поверхностных акустических волнах
RU2387051C1 (ru) * 2008-12-01 2010-04-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах
RU2629892C1 (ru) * 2016-09-29 2017-09-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Способ измерения физических величин с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5235235A (en) * 1991-05-24 1993-08-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Multiple-frequency acoustic wave devices for chemical sensing and materials characterization in both gas and liquid phase
DE10361991A1 (de) * 2003-09-27 2005-04-28 Univ Hamburg Harburg Tech Telemetrisch abfragbarer passiver Potentialsensor
RU2296950C2 (ru) * 2004-09-03 2007-04-10 ООО "Научно-производственное предприятие "Технологии дистанционного контроля и связи" Датчик дистанционного контроля физической величины на поверхностных акустических волнах

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144332A (en) * 1992-01-03 2000-11-07 Siemensn Aktiengesellschaft Passive surface wave sensor which can be wirelessly interrogated
EP0815469B1 (de) * 1996-01-18 2002-11-06 HERA Rotterdam B.V. Verfahren zum durchführen einer berührungslosen fernabfrage
US20060049714A1 (en) * 2004-09-03 2006-03-09 James Liu Passive wireless acoustic wave chemical sensor
RU2326404C2 (ru) * 2005-03-03 2008-06-10 Зао "Нпп "Элко" Устройство идентификации на поверхностных акустических волнах
WO2006138662A1 (en) * 2005-06-17 2006-12-28 Honeywell International Inc. Passive acoustic wave sensor system
RU2387051C1 (ru) * 2008-12-01 2010-04-20 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах
RU2629892C1 (ru) * 2016-09-29 2017-09-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" Способ измерения физических величин с помощью датчиков на поверхностных акустических волнах

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020022925A1 (ru) 2020-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Seifert et al. Mechanical sensors based on surface acoustic waves
JP4026849B2 (ja) 無線問合せ可能な表面波テクノロジーセンサ
RU2387051C1 (ru) Датчик физической величины на поверхностных акустических волнах
US20070024432A1 (en) Ultrasonic object detector
KR101012767B1 (ko) 자기변형 진동자를 이용한 용기부 내의 압력측정장치
KR940704031A (ko) 수동 표면파 센서 장치(passive surface wave sensor which can be wirelessly interrogated)
CN102052986A (zh) 无线无源声表面波阻抗负载传感器
US9116034B2 (en) Wireless measurement device using surface acoustic wave (SAW)-based micro sensor and method of using the saw-based micro sensor
US20100141087A1 (en) Surface acoustic wave based sensor apparatus and method utilizing semi-synchronous saw resonators
RU2758341C1 (ru) Пассивный беспроводный датчик магнитного поля на поверхностных акустических волнах
EP2871474A1 (en) SAW sensor based on Fabry-Perot type resonator
CN203606038U (zh) 一种声表面波温度传感应答器
JP2023171888A (ja) 音波センサ及びその質問
RU2585487C1 (ru) Пассивный датчик температуры на поверхностных акустических волнах
JP2011028424A (ja) センサ機能付きｒｆｉｄタグ、およびそのｒｆｉｄタグを用いたｒｆｉｄシステム
WO2013150326A1 (en) Passive wireless microphone
Chernenko et al. Wireless passive pressure sensor using frequency coded SAW structures
Boccard et al. Near-field interrogation of SAW resonators on rotating machinery
US8922095B2 (en) Transponder having coupled resonant modes and including a variable load
CN211783950U (zh) 时分频分结合编码的声表面波温度传感器
RU2458319C1 (ru) Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах
KR20140119278A (ko) 표면탄성파에 의한 비접촉 무전원 무선 온도 측정 방법
JPS6338652B2 (ru)
RU2475716C1 (ru) Чувствительный элемент для измерения физических величин на магнитостатических волнах
RU180995U1 (ru) Датчик давления на поверхностных акустических волнах