Розробка пасивного термодатчика (стр. 3 из 11)

Радіолокація заснована на наступних фізичних явищах:

· Радіохвилі розсіюються на виявлених на шляху їхнього поширення електричних неоднорідностях (об'єктами з іншими електричними властивостями, відмінними від властивостей середовища поширення). При цьому відбита хвиля, також, як і власне, випромінювання цілі, дозволяє виявити ціль.

· На більших відстанях від джерела випромінювання можна вважати, що радіохвилі поширюються прямолінійно й з постійною швидкістю, завдяки чому є можливість вимірювати дальність і кутові координати мети.

· Частота прийнятого сигналу одержує додатковий зсув щодо частоти випромінюваних коливань при переміщенні крапок прийому й випромінювання (еффект Доплера), що дозволяє вимірювати радіальні швидкості руху мети відносно РЛС.

У РЛС із фазовим методом виміру дальності, характерно безперервне зондувальне випромінювання. У цьому випадку про відстань до об'єкта судять по зміні фази сигналу генератора масштабної частоти за час поширення електромагнітних хвиль до об'єкта й назад. У фазометрі рівняються дві хвилі: пряма, що надходить безпосередньо від генератора, і відбита, з виходу приймача після відбиття від об'єкта. Ці радіохвилі мають різні фази.

Нехай напруга, вироблювана генератором, змінюється за законом

Umax=Um*sin(ft+ф0),

Де ф0 - початкова фаза; f - масштабна частота. Цією напругою модулюються коливання генератора високої частоти, які випромінюються в простір. Тоді напруга відбитого сигналу на виході приймача (Пр)

Uотр= Um отр* sin[(ft - ft0)+ф0] = Um отр* sin(ft - ft0+ф0),

де ft0 – зсув фаз між прямим і відбитим сигналами.

У цій формулі не враховуються запізнення фази сигналу в ланцюгах РЛС і зсув фаз, що виникає при відбитті від об'єкта. Ці параметри постійні й можуть бути отримані експериментальним шляхом.

Оскільки t0 = 2D/c, то ф = f2D/c .

Із цієї формули виходить, що зсув фаз між прямим і відбитим сигналами залежить від дальності до об'єкта й частоти генерованих коливань. Оскільки частота коливань постійна, по зсуву фаз можна визначити дальність до об'єкта.

При імпульсному методі радіолокації передавачі генерують коливання у вигляді короткочасних імпульсів, за якими ідуть порівняно тривалі паузи. Причому тривалість паузи вибирається виходячи з дальності дії РЛС Dmax.

Сутність імпульсного методу полягає в наступному:

Передавальний пристрій РЛС випромінює енергію не безупинно, а короткочасно, що строго періодично повторюються, імпульсами, у паузах між якими відбувається прийом відбитих імпульсів прийомним пристроєм тієї ж РЛС. Таким чином, імпульсна робота РЛС дає можливість розділити в часі потужний зондувальний імпульс, випромінюваний передавачем і значно менш потужний відбитий сигнал. Вимір дальності до мети зводиться до виміру відрізка часу між моментом випромінювання імпульсу й моментом прийому, тобто часом руху імпульсу до мети й назад. Імпульсний принцип є найбільш перспективним для приладів на ПАХ.

Нові вимоги, пропоновані до РЛС, привели до розробки зовсім нової техніки, нових принципів радіолокації. У цей час на сучасних РЛС імпульс посланий станцією являє собою сигнал, закодований по досить складному алгоритму ( найпоширеніший код Баккера), що дозволяє одержувати дані підвищеної точності й ряд додаткових відомостей про ціль спостереження. З появою транзисторів й обчислювальної техніки потужні мегаватні передавачі пішли в минуле. На їхню зміну прийшли складні системи РЛС середньої потужності об'єднані за допомогою ЕОМ. Це дало поштовх до використання інших можливостей радіолоокації, зокрема, для дистанційних пасивних вимірювачів.

Та якщо відбиття сигналу відбувається в лінії затримки, то час затримки в цій лінії завдяки на 5 порядків меншій швидкості ПАХ (3000м/с), ніж швидкість радіохвилі в повітрі (300000000м/с), є набагато більшим, хоч на 2-3 порядки, ніж час бігу радіохвилі до термодатчика. Тому часом бігу радіохвилі можна знехтувати, оскільки малопотужний ВП не зможе знаходитись далеко від ПП.

Якщо сигнал проходить велику відстань, то він частково розсіюється, спотворюється й слабшає й виділити його в приймачі із власних шумів приймача й шумів іншого походження найчастіше вкрай важко. Ослаблення сигналу при радіолокації цілком піддається розрахунку, що заснований на простих фізичних міркуваннях. Якщо в якійсь крапці випромінюється потужність Р, то потік потужності через одиничну площадку, що перебуває на відстані R, буде пропорційний Р/4pR2. У знаменнику стоїть площа сфери радіусом R, що оточує джерело. Таким чином, при звичайному радіозв'язку потужність, прийнята антеною, обернено пропорційна квадрату відстані. Цей закон - закон сферичного розходження пучка енергії - виконується завжди при поширенні хвиль у вільному просторі. Навіть якщо сконцентрувати випромінювану потужність у вузький промінь і потік енергії зросте в кілька разів, (цей коефіцієнт називається коефіцієнтом спрямованої дії антени), квадратична залежність від відстані збережеться. Але в радіолокації радіосигнал переборює подвійні відстані, а сама опромінювана ціль розсіює енергію в усіх напрямках, і якщо потік енергії , що опромінює ціль, слабшає обернено пропорційно R2, то прийшовши до приймача потік ще послабляється в стільки ж раз і виявляється обернено пропорційним R4. Це означає, що для підвищення дальності дії РЛС у два рази за інших рівних умов потужність її передавача треба підвищити в 16 разів. Настільки високою ціною досягаються високі характеристики сучасних РЛС.

2.3 Принципи побудови акустичних датчиків

Як джерело інформації у вимірювальних перетворювачах на пасивних елементах використовується механічна, або акустична, хвиля. Коли хвиля поширюється усередині матеріалу або по його поверхні, будь-які зміни характеристик траєкторії поширення хвилі впливають на швидкість й/або амплітуду хвилі. Частота й фазові характеристики показують зміну швидкості хвилі.

Практично всі акустичні прилади й датчики для генерування хвилі використають п'єзоелектричні матеріали. П'єзоелектрика була відкрита братами (Пьером і Полем-Жаком Кюрі Pierre й Paul-Jacques Curie) в 1880 р., а назви одержало в 1881 р. від Вільгельма Хенкела (Wilhelm Hankel). П'єзоелектрикою називають електричний заряд, що з'явився в результаті механічної напруги. Твердження вірно й у зворотну сторону. Застосування підходящого електричного поля до п'єзоелектричного матеріалу створює механічна напруга. П'єзоелектричні акустичні сенсори створюють механічні хвилі за допомогою електричного поля. Ці хвилі поширюються в підкладці, а потім, для проведення необхідних вимірів, трансформуються назад в електричне поле.

Поверхневі пружні хвилі зустрічаються в природі часто. З ними зв'язано, наприклад, поширення коливань земної кори (землетрусів) або збурюванні на поверхні води. У цих випадках довжина хвилі являє собою величину від сотень метрів ло декількох сантиметрів. Поверхневі пружні хвилі вивчав еше у вісімдесятих роках минулого століття Релей у зв'язку із проблемою визначення епіцентру землетрусів [169]. Він створив теоретичну основу для рішення завдань, пов'язаних з поверхневими пружними хвилями.

Поверхневі пружні хвилі займають істотно менший діапазон, чим зазначено вище: вони укладені в області 10-5—10-1см. Такі хвилі відомі як поверхневі акустичні хвилі (ПАХ), хоча їхні частоти відповідають області ультразвуку.

Для порушення й реєстрації ПАХ застосовують пьєзоелектрики, значення яких у зв'язку із цим істотно зросло. Поверхневі акустичні хвилі володіють рядом чудових властивостей, що представляють інтерес для фахівців в області електроніки. Насамперед це (у порівнянні з об'ємними хвилями) їхня доступність і можливість управляти ними у всіх крапках поверхні, де вони існують. Поверхневі акустичні хвилі поширюються зі швидкістю на п'ять порядків нижче, ніж швидкість електромагнітних хвиль, що дозволяє використати методи, застосовувані в діапазоні НВЧ.

Звичайний акустичний пристрій (рис.7) складається із двох зустрічно-штирових перетворювачів. Один з них перетворить енергію електричного поля в механічну хвилю, інший проводить зворотне перетворення.

Рис. 7. Акустичний пристрій

У виробництві пристроїв, що працюють на акустичних хвилях, використається фотолітографічний процес (рис.8); приблизно таким же способом виготовляються інтегральні схеми. Єдина різниця полягає в тім, що в акустичних датчиках немає переходів.

Рис. 8. Фотолітографічний процес

При виготовленні акустичних сенсорів найбільше часто використаються наступні п'єзоелектричні підкладки: кварц (Si2), танталат літію (LiTa3) і трохи рідше ніобат літію (LiNb3). У кожного із цих матеріалів є свої переваги й недоліки, пов'язані із ціною, температурною залежністю, загасанням і швидкістю поширення. В таблиці 5 наведено коефіцієнти чутливості деяких матеріалів, за якими можна визначити чутливість частоти (періоду) ПАХ до зовнішніх впливаючих факторів: деформацій eij звукопроводу KeSpeij, його температури DT та обертання основи W:

Df/fn0»KeSpeij+KtDT+Kk×W/fn0–DL/L0.

Таблиця 5

Коефіцієнти чутливості звукопроводу ПАХ

Матеріал звукопро-воду	f0n, МГц	Ke		Kt×104, 0C		Kk
		Експе-римент	Розра-хунок	Експе-римент	Розра-хунок	Експе-римент	Розра-хунок
ZnO-SiO2	82,0	5,7	4,53	61,45	48,25	-0,24	-0,22
a-SiO2 ST-зрізу	78,9	-0,87	-0,54	2,8	3,25	-0,44	-0,59

Слід зазначити, що анизотрорпні матеріали, у тому числі й кварц, володіють такою властивістю: температурна залежність матеріалу залежить від кута зрізу й напрямку поширення хвилі. Правильним підбором значень цих параметрів можна мінімізувати температурний ефект першого порядку. Якщо максимізувати цей ефект, то можна сконструювати акустичний датчик температури. Не можна сказати того ж про ніобат й танталат літію, тому що при будь-яких зрізі матеріалу й напрямку поширення хвилі зберігається лінійна температурна залежність. З інших матеріалів, що мають комерційне застосування, слід зазначити: арсенід галію (GaAs), карбід кремнію (Si), лангасит (LGS), оксид цинку (Zn), нітрид алюмінію (Al), п'єзоелектричний титанат свинцю-цирконію (PZT), фторид поливинилидена (PVd).