Розробка пасивного термодатчика (стр. 10 из 11)
де v_швидкість ПАХ на вільній поверхні, vo — швидкість на металізованій поверхні й gо — коефіцієнт електромеханічного зв'язку. Однак можуть бути відхилення від цього виразу.
У випадку А < 0 (сходинка утворена вибіркою матеріалу або нанесенням діелектричного шару), як правило, |Л| <t 2 і коефіцієнт відбиття пропорційний висоті сходи, тобто Г, = giAA. Для сходинки, спрямованої вниз (А < 0), коефіцієнт відбиття має негативний знак, тобто на такій сходинці ПАХ відбивається з фазовим зсувом 180°.
Для мнимої частини коефіцієнта відбиття дійсне вираження, аналогічне (7.126), однак фізичний зміст має тільки квадратичний член
Через того що коефіцієнт відбиття від однієї елементарної неоднорідності має малу величину, у пристроях на ПАВ використають рефлектори (відбивачі), у яких багато, що відбивають елементів (порядку декількох сотень). Звичайно відбивач реалізується за допомогою системи канавок (рис. 30, а), які формують шляхом травлення, або системи провідних смужок на п'єзоелектричній підкладці (рис. 30, б). Металеві смужки можуть бути або ізольований друг від друга (вільні), або взаємно закорочені. У деяких випадках елементи відбивача створюються у вигляді діелектричних шарів з використанням методу іонної імплантації або дифузії металу.
Рис. 30. Відбивач ПАХ: а - система канавок, б - система смужок
Основними характеристиками рефлектора є довжина d, тобто період і коефіцієнт відбиття.
Тут до,/ і до,-хвильові вектори падаючих і відбитої хвиль, рівні
Вектор km запишемо у вигляді
де По — одиничний вектор, перпендикулярний ребрам рефлектора й спрямований від нього до його входу, а ціле число п — порядок відбиття. Приклади, що ілюструють вираження (7.129) для випадків нормального й кутового падіння, наведені на рис. 7.31. Співвідношення (7.129) є точним лише для відбивача з нескінченним числом елементів. Якщо число елементів кінцеве, то варто визначити напрямок, у якому відбита ПАХ має максимальну амплітуду.
Температурна залежність швидкості ПАХ подібно температурної залежності резонансної частоти резонаторів на об'ємних хвилях температурну залежність швидкості ПАХ виражають за допомогою перших трьох членів статичного ряду
де — різниця значень швидкості ПАХ при температурах 0 й o, a TV"' — температурний коефіцієнт і-го порядку швидкості ПАХ
Через того що швидкість ПАХ є функцією пружних, п'єзоелектричних і діелектричних постійних підкладок, температурний коефіцієнт швидкості ПАХ також буде функцією цих постійних й їхніх температурних залежностей.
При виборі орієнтації підкладки прагнуть, щоб температурний коефіцієнт швидкості ПАХ першого порядку був якнайближче до ноля, а температурні коефіцієнти більше високого порядку як можна меншої величини. І хоча при проектуванні елементів на ПАХ насамперед виходять із температурного коефіцієнта швидкості ПАХ, слід зазначити, що необхідно враховувати й теплове розширення самої підкладки.
при поширенні ПАХ від місця порушення хвилі до місця її приймання частина енергії хвилі губиться (втрати енергії пучка ПАХ). Розрізняють втрати, викликані геометрією, і втрати, викликані загасанням ПАВ. Причинами втрат першого типу є:
1) відхилення напрямку поширення енергії від напрямку фазової швидкості;
2) дифракція пучка ПАХ (рис. 6.18, б), т. з границь пучка й зміна його профілю.
Втрати, пов'язані із загасанням, проявляються зменшенням інтенсивності пучка зі збільшенням відстані від вхідного перетворювача (рис. 6.18, в). На загасання ПАХ впливають наступні фактори:
1) взаємодія з тепловими коливаннями ґрат;
2) розсіювання на нерівностях поверхні;
3) розсіювання на дефектах кристалічних ґрат (дислокаціях, домішках і т.д.);
4) взаємодія поверхні із зовнішнім середовищем,
]
Рис. 31. Відображення втрат енергії пучка за допомогою профілів відносної амплітуди ПАХ, що поширюється між вхідним і вихідним перетворювачами
а — ідеальний випадок; 6 — дифракція пучка; в — дифракція пучка й загасання.
Окремі складові загасання ПАХ різним образом залежать від температури, частоти, геометрії й властивостей середовища (рис.32).
Рис. 32. Залежність втрат від температури
Відповідно до теорії твердого тіла ПАХ можна розглядати (особливо в області високих частот і низьких температур) як поверхневі фонони й пояснювати загасання ПАВ як взаємодія поверхневих фононів з дефектами кристалічних ґрат. Із цієї теорії сліду ст, що загасання фононів ПАХ відбувається аналогічно загасанню об'ємних фононів. Температурні залежності коефіцієнта загасання а дл ПАХ при різній частоті зображені на рис. 6.I9 [191].
В області низьких температур (нижче 10 ДО) коефіцієнт загасання постійний, потім при підвищенні температури різко зростає. При високій температурі (3000С) його залежність від температури слабка. Границя між цими областями залежить від частоти. При низьких температурах головну роль грає розсіювання ПАВ на нерівностях поверхні, примісних атомах і дислокаціях. Загасання не залежить від температури, але залежить від частоти. При переході до більше високих температур починає проявлятися розсіювання на теплових фононах ґрат, і різко зростає (пропорційно четвертого ступеня температури), причому проявляється й частотна залежність. При кімнатній температурі ос росте пропорційно квадрату частоти й слабко залежить від температури.
Інтерес представляє вплив прилягаючого середовища, що складає з напівпровідникового шару, у якому діє постійне електричне поле. У цьому випадку відбувається взаємодія між носіями, що рухаються, зарядів у напівпровіднику й хвилею, що рухається. Якщо швидкість зарядів перевищить швидкість ПАВ, то останні можуть підсилюватися. У літературі описаний ряд успішних спроб посилення ПАХ. Однак поки не досягнуть той результируючий ефект, що дає пасивний елемент на ПАВ з послідовно включеним активним підсилювачем. Тому описані вище активні елементи на ПАВ поки не знаходять практичного застосування.
2.8 Розрахунок порогової чутливості термодатчика
Порогову чутливість термодатчика визначимо як відношення чутливості dТ=0,2 мкс до часу затримки радіолокаційного сигналу РЛС середньої точності до зміни часу ПАХ в лінії затримки DТ=2L / (V kV) довжиною L=10 мм в діапазоні вимірювання температури TВМ
ST = TВМ´dТ/(2L / (V kV))= 0.15´10-3 K
де V =3159 м/с швидкість ПАХ у кварці У-зрізу, kV= –24*10-6 1/К - її термочутливість.
Компенсація впливу невимірюваних параметрів
Однак на вимірювання термодатчику будуть впливати інші невимірювані параметри, як то зміна тиску Р чи превантаження (в тому числі центробіжні та лінійні), перешкоди в радіолокаційному каналі. Для вимірювання та компенсації цих впливів, а також для однозначного визначення досить малопотужного імпульсу відгуку термодатчику на підложці формується декілька відбивачів (рис. 1)
2.9 Розрахунок термодатчика на теплову інерційність
Розділяють дві задачі теплової інерційності:
1. Тепловиділення всередині елементу ЕА (рис.1,а);
2. Вирівнювання температури елементу ЕА із зовнішнім (рис.1,б).
Рис.32. Динамічні властивості термодатчика
Рис.33. Електричний аналог ланки
(аперіодичної першого порядку) з тепловою інерційністю
В випадку 1 всередині елементу масою m і теплоємністю c виділяється потужність Р і температура Q2 зростає до встановленого значення:
,
, 
.де S – поверхня теплоообміну, x– коефіцієнт тепловіддачі, Т – постійна часу.
В випадку 2 в момент часу t1 відбувається стрибок температури Q1 зовнішнього середовища і внутрішня температура Q2 до неї вирівнюється:
, 
.Від t1 до t2 (рис.1,в) формуються температурні градієнти, за час Т – постійну часу – відбувається 70% перехідного процесу. За час 3…5Т перехідний процес вважається майже завершеним.
Довідкові відомості.
Таблиця 7. Питома теплоємність типових твердих матеріалів
| Тип матеріалу | Важкі метали (мідь, латунь, залізо) | Легкі матеріали (алюміній фосфор, слюда) | Для органічних матеріалів (текстоліт, гетінакс, оргскло) |
| с, Дж/(кг×К) | 400 | 800 | 1200 |
Таблиця 8. Коефіцієнти тепловіддачі для типових деталей, x, Вт/(м2К)