Использование пьезорезонансного эффекта для измерения физических величин

Общая характеристика и сущность пьезорезонансного эффекта. Пьезорезонансные датчики и сенсоры. Способ регистрации ионизирующих излучений. Определение аммиака в воздухе. Погрешности, ограничивающие точность измерений на основе данного физического эффекта.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Курсовая работа

по дисциплине «Физические основы измерений»

Использование пьезорезонансного эффекта для измерения физических велИчин

Минск 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОПИСАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, ВКЛЮЧАЯ ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ И РИСУНКИ, ПОЯСНЯЮЩИЕ ЭТОТ ЭФФЕКТ

1.1 Резонанс

1.2 Резонансный метод

1.2.1 Пьезорезонансные датчики

1.2.2 Пьезорезонансные сенсоры на основе пектина

2 ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ДАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

2.1 Применение резонанса

2.2 Способ регистрации ионизирующих излучений

2.3 Определение аммиака в воздухе

3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДАННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

3.1 Влияние факторов окружающей среды на пьезоэлектрические резонаторы

3.2 Невысокая стабильность пьезорезонансных газовых сенсоров

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

4 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

пьезорезонансный эффект датчик физический

Разговор в этой работе пойдет о пьезорезонансном эффекте и его применении для измерения физических величин, а так же что легло в основу этого эффекта.

В первой главе описан предложенный мне эффект на основе пьезорезонансных датчиков и пьезорезонансных сенсорных, а так же объяснена суть резонанса.

Во второй главе приведены примеры, где используются описанные эффекты и что измеряется с помощью них.

В третьей главе описаны погрешности которые влияют на процесс измерения.

Рассмотрим все это поподробнее.

1 ОПИСАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, ВКЛЮЧАЯ ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ И РИСУНКИ, ПОЯСНЯЮЩИЕ ЭТОТ ЭФФЕКТ

1.1 Резонанс

Резонанс (франц. resonance, от лат. resono -- звучу в ответ, откликаюсь), явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний в какой-либо колебательной системе, наступающее при приближении частоты периодического внешнего воздействия к некоторым значениям, определяемым свойствами самой системы.

Вынужденные колебания, колебания, возникающие в какой-либо системе под действием переменной внешней силы (например, колебания мембраны телефона под действием переменного магнитного поля, колебания механической конструкции под действием переменной нагрузки и т.д.). Характер вынужденных колебаний определяется как характером внешней силы, так и свойствами самой системы. В начале действия периодической внешней силы характер вынужденных колебаний изменяется со временем (в частности, вынужденные колебания не являются периодическими), и лишь по прошествии некоторого времени в системе устанавливаются периодические вынужденные колебания с периодом, равным периоду внешней силы (установившиеся В. к.). Установление вынужденных колебаний в колебательной системе происходит тем быстрее, чем больше затухание колебаний в этой системе.

В частности, в линейных колебательных системах при включении внешней силы в системе одновременно возникают свободные (или собственные) колебания и вынужденные колебания, причём амплитуды этих колебаний в начальный момент равны, а фазы противоположны (рис. 1.1). После постепенного затухания свободных колебаний в системе остаются только установившиеся вынужденные колебания.



Рисунок 1.1 - Вынужденные колебания

В простейших случаях резонанс наступает при приближении частоты внешнего воздействия к одной из тех частот, с которыми происходят собственные колебания в системе, возникающие в результате начального толчка (рис. 1.2). Характер явления резонанса существенно зависит от свойств колебательной системы. Наиболее просто резонанс протекает в тех случаях, когда периодическому воздействию подвергается система с параметрами, не зависящими от состояния самой системы.

Рисунок 1.2 - Схема резонанса

1.2 Резонансный метод

Конструирование акселерометров развивалось в направлении использования эффекта резонанса. Основная концепция подобна представленной ранее для датчиков давления. Измеряется не отклонение инерционной массы, а изменение модуля упругости материала подвеса, связанное с изменением механических напряжений. Изменение упругости приводит к изменению собственной частоты миниатюрной гибкой структуры. Пьезоэлектрические возбуждающие и чувствительные элементы используются в цепи обратной связи для сохранения состояния резонанса. Резонансная частота является выходным сигналом, но которому определяют ускорение.

Резонансные методы исследования вещества можно отнести к числу наиболее информативных и точных. С их помощью можно изучать химический состав, симметрию, структуру, энергетический спектр вещества, электрические, спин-орбитальные, магнитные, сверхтонкие и суперсверхтонкие взаимодействия в нем. Эти методы могут удачно дополнять друг друга. Они нашли широкое применение в физике, химии, биологии и медицине.

1.2.1 Пьезорезонансные датчики

На развитие практически всех отраслей приборостроения сегодня большое воздействие оказывает применение микропроцессоров и ЭВМ. Эта техника поднимает на новый уровень и пьезорезонансный метод измерений. Достижения в этой области также нашли отражение в работе. Можно уверенно говорить о том, что пьезорезонансные методы сформировались сегодня в самостоятельное, интенсивно развивающееся направление, играющее важную роль в технике измерений.

Чувствительным элементом в пьезорезонансных датчиках являются пьезоэлектрические резонаторы, в которых используются объемные или поверхностные акустические волны.

Рисунок 1.3 - Эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического резонатора

Такие пьезорезонаторы включаются в схему автогенератора и определяют его частоту. Воздействующим фактором на резонатор является температура, сила, давление, ускорение, влажность.

Рисунок 1.4 - Пьезоэлектрические резонаторы

Пьезорезистор на объемных волнах (ОВ) представляет собой конденсатор, диэлектриком которого является пьезоматериал.



Рисунок 1.5 - Пьезоэлемент:

1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Пьезорезонатор в виде пластинки резонирует на трех основных частотах:

f1=, f2=, f3=, (1.1)

а также на гармониках (-частные постоянные).

Пьезорезистором на поверхностных акустических волнах (ПАВ) может служить встречно-штыревой преобразователь (рис. 1.3). Обычно выбирается а=h. В этом случае резонансная частота:

=, (1.2)

где - скорость распространения ПАВ.



Рисунок 1.6 - Пьезорезонатор на ПАВ

ПАВ-датчики строятся в основном по схеме с частотным выходом. Основа частотных датчиков -- автогенератор, в качестве частотозадающего элемента используется линия задержки или резонатор на ПАВ. Как правило, используется дифференциальная схема с двумя автогенераторами и формирователем сигнала разностной частоты.

В ряде применений ПАВ-датчики выполняются по схеме с фазовым выходом.

Простейшая схема (рис. 1.4) содержит единственную линию задержки (ЛЗ) и генератор опорной частоты. Фазометр измеряет набег фазы между входом и выходом. Недостаток схемы -- зависимость времени задержки и разности фазы не только от полезного воздействия на ЛЗ, но и от дестабилизирующих факторов, например температуры.

Рисунок 1.7 - Выполнение ПАВ-датчика по схеме с фазовым выходом

1.2.2 Пьезорезонансные сенсоры на основе пектина

Пектины -- высокомолекулярные соединения, имеющие молярную массу до 200 000 г/моль. Основу пектинов составляют цепи поли-в-галактуроновой кислоты, при этом часть карбоксильных групп этерифицирована (рис. 1.5). Содержание поли-в-галактуроновой кислоты в пектинах обычно превышает 75%, а доля неэтерифицированных карбоксильных групп колеблется от 30 до 70%.

Рисунок 1.5 - Фрагмент структуры пектина

Желеобразующие свойства пектиновых веществ используют в пищевой промышленности при производстве джема, мармелада, конфитюра и пастилы. Также пектины применяют в косметической промышленности в качестве стабилизаторов при изготовлении кремов и гелей. В медицинской практике используют способность пектина связывать и выводить из организма вредные вещества (ионы тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов), а также понижать уровень холестерина в крови. В фармацевтике добавление пектина к некоторым препаратам смягчает их побочное негативное влияние на организм, а также усиливает терапевтическое действие. В агрономии пектин используют в виде добавок в микробиологические среды, а также в качестве консервантов почвы. В настоящей работе пектины были использованы в качестве высокомолекулярных сорбентов, содержащих большое количество карбоксильных групп, способных к кислотно-основному взаимодействию с аммиаком. Пектины были выделены из плодов и ягод, из свекловичного жома по стандартной методике. Пектины были использованы для получения газочувствительных слоев пьезокварцевых сенсоров. Установлено, что сенсоры на основе пектинов обладают достаточно высокой чувствительностью по отношению к аммиаку (280--800...