Көшкінбаев сәулетбек жолдықараұлы технологиялық процестерді бақылауға арналған талшықты-оптикалық көпфункционалды датчиктердің функционалдығын зерттеу және модельдеу
Талшықты-оптикалық көп функционалды датчиктердің қолданыстағы конструкцияларына шолу және талдау
жүктеу/скачать 6,91 Mb.
|
koshkynbaev-s-zh-phd-s-sp
| 1.3. Талшықты-оптикалық көп функционалды датчиктердің қолданыстағы конструкцияларына шолу және талдау
[34] мақалада қысым мен температураны ұзақ қашықтықта өлшеуге мүмкіндік беретін тау-кен, мұнай және аэроғарыш өнеркәсібінде қолдануға арналған әмбебап талшықты-оптикалық қысым мен температура сенсоры сипатталған. Осы аймақтардағы жоғары қысым мен температураны өлшеу оларда қолданылатын датчиктердің дәлдігіне қойылатын талаптарды арттырады. Бұл дизайн өлшеу өнімділігін жақсарту үшін коллекторлық линзаны, фотодетекторларды және рефлекторларды қамтиды. Алайда, осы сенсорда қолданылатын құрылғылар диапазонының сипаттамалары арасындағы айырмашылық әлі де проблемалы болып табылады (сурет 1.4). Сурет 1. 4 – Көпфункционалды талшықты қысым мен температура датчигінің сұлбасы 1 –лазер көзі 2 – оптикалық талшыққа жарық ағынын енгізетін құрылғы 3 – оптикалық талшық 4 – коллиматорлық жүйе 12 – эталондық сезімталдығы бар оптикалық талшық 13– жұмыс сезімталдығы бар оптикалық талшық 14 – жұмыс сезімталдығы бар оптикалық талшық 5, 6, 7 - шағылыстырғыштар 8, 9 - микролинза массивтері 10, 11 - микропозиционерлер 18, 19 - буындар 20, 21 – жинағыш лнзалар 22, 23 - фотоқабылдағыштар 24, 25 - күшейткіштер 26, 27 - өңдеу блоктары 28 – термокомпенсация тізбегі [35] жұмыста металл заттардың бетіндегі түрлендірулер мен жылдамдықтарды өлшеу әдістері сипатталған. Әр түрлі деформация жылдамдығымен металл үлгілерінің динамикалық және механикалық әрекетін болжау үшін сандық әдістерді қолдану мүмкіндіктері де қарастырылады. Дегенмен, зерттеуде бөлшектермен нығайтылған металл матрицалық композиттерді жобалау және жасау бойынша қажетті нұсқаулар жоқ. Бірінші сатыдағы қозғалтқыштарда қолданылатын көпфункционалды қысым және температура датчиктері төмендегі техникалық талаптарға сай болуы керек [38]: – өлшеу диапазонының интервалы (0 50) МПа; – сутегі, коррозиялық сұйық және газ орталарында жұмыс істеу қабілеті. – 0,55 мс шегінде 1500 д соққы жүктемесін ұстап тұру; – 120 - 170 ДБ шегінде акустикалық шудың әсеріне төтеп беру қабілетінің болуы; – өлшеу қателігі 0,5 % шегінде болуы керек. Ғарыш саласынан басқа, температураны өлшеу ғылымның басқа салаларында маңызды және бұл өлшемдер барлық өлшемдердің шамамен 20% құрайды. Температура датчигі мультиплекстеу қабілетіне байланысты стационарлық немесе стационарлық емес температура өрістерін өлшеу, әртүрлі энергетикалық құрылғыларды сынау, аэродинамикалық сынақтар жүргізу мүмкіндігіне ие [39]. Компрессорлық қондырғылар мен қуатты турбиналардағы жұмыс процесін бақылау үшін қысым, температура және діріл параметрлерін бір уақытта өлшеу, энергетика саласындағы өзекті мәселелердің бірі. Өйткені бір уақытта өлшенген көрсеткіштер көрсетілген құрылғылардың объективті, дұрыс жұмыс істей алатынын көрсетеді. Біріктірілген көпфункционалды датчиктерді қолдану қолданылатын датчиктердің санын азайтып қана қоймай, сонымен қатар еңбек мөлшерін төмендетуге, сондай-ақ өлшеулердің ақпараттылығын арттыруға мүмкіндік береді. Талшықты Брэгг торларына импульстік механикалық әсерді зерттеген жалғыз қолданба детонациялық және соққы-толқынды диагностика жүйелері болып табылады [42-44]. [45] жұмыстың негізгі тұжырымдамасы - сәулеленудің шағылысу параметрлерінің өзгеруі (спектрлік және толық қуат), оны нақты уақыт режимінде талшықты брэгг торының физикалық бұзылуымен анықтауға болады, және ол бұзылу детонациялық толқын тараған кезде пайда болады. Чиптелген талшықты Брэгг торын пайдалану шағылысқан сәулеленудің спектрлік тығыздығының тордың бұзылмаған бөлігінің ұзындығына қатты тәуелді болып келеді. Бұл қажетті толқын параметрлерін есептеуді жеңілдетеді. Детонациялық және соққы толқынды эксперименттерінде зондтау үшін жоғары жылдамдықты сауалнаманы қолдану [46] жұмыстарында қарастырылған. Жалпы жағдайда соққы толқынының параметрлерін нақты уақыт режимінде шағылысқан сәулелену спектрінің өзгеруін өлшеу арқылы талшықты Брэгг торын бұзбай анықтауға болады [47-50]. Бұл мақалаларда оптикалық талшықты Брэгг торымен ұзарту толқыны қарастырылмайды, ол Брэгг торының әсеріне дейін талшық бойымен белгілі бір қашықтықты өтеді. Созылу немесе қысу толқындарының таралуын сипаттау және сандық модельдеу үшін қарапайым физика-математикалық жуықтаулар мен бағалаулар да қарастырылмайды. Қысым мен температураның біріктірілген көпфункционалды датчиктерінің сыртқы өлшемдеріндегі артықшылықтар және өлшенген параметрлерді өтеудің жақсартылған мүмкіндіктері оларды аспап жасаудың өте перспективалы бағытына айналдырады. Екі параметрді бір өлшеу сенсорында біріктіру қосымша сапалық сипаттамаларды алуға мүмкіндік береді, мысалы, қысымды жоғары дәлдікпен өлшеу үшін термиялық өтемақы жүргізу және өлшеу қателігін ондаған есе азайту. Сонымен қатар, температура мен қысымды өлшеудің бір нүктесінде біріктіру кешенді өлшеулерді жүзеге асыруға мүмкіндік береді, мысалы, сұйықтықтар мен газдардың шығыны, пульсациялық ағындарды өлшеу және т.б[51]. Бұл датчиктердің осындай артықшылықтары датчик-түрлендіргіш аппаратураны әзірлеушілер тарапынан жоғары бағаға ие болады. Бүгінгі таңда аспап жасаудың бұл саласы қарқынды дамып келе жатқан салалардың бірі болып табылады, оны осы тақырып бойынша көптеген жарияланымдар растайды. Қазіргі уақытта талшықты-оптикалық байланыстың және онымен байланысты технологиялардың дамуына байланысты талшықты-оптикалық датчиктерге деген қызығушылық қайта оралуда. Талшықты-оптикалық деформация мен температура датчигінің мысалы ретінде деформация мен температураның әсері жиіліктің ығысуына әкелетін талшықты-оптикалық өлшеу жүйесін келтіруге болады (1.5-сурет). Сезімтал элемент ретінде оптикалық талшықтың бір бөлігі алынған, онда әртүрлі периодты екі Брэгг торы жазылған [52]. Сурет 1.5 – Әр түрлі периодты Брэгг торларына негізделген температура мен деформацияны өлшеуге арналған талшықты-оптикалық өлшеу жүйесі [53] мақалада көп функциялы қысым мен температура датчиктерінің қолданыстағы дизайны жартылай өткізгіш және талшықты-оптикалық технологияларды қолдануға негізделгені атап өтілген. Қазіргі уақытта жартылай өткізгіш сенсорлар мен микроэлектромеханикалық жүйелер технологиясы ең кең таралған, өйткені ол әлемдегі барлық сенсорлардың 80% құрайды. Өндіріс үшін қолданылады. Дәл осы салаларда талшықты-оптикалық датчиктерді әзірлеу бойынша зерттеулер жүргізілуде. Транзисторды деформация датчигінің түрлендіргіш элементі ретінде қосу схемасында эмитттер тұрақты ток генераторына қосылған жағдайда коллектордағы өзгермелі потенциал деп аталатын сезімтал параметр ретінде қолданылады. Бұл жағдайда транзистор жалпы базалық схема бойынша қосылады (1.6-сурет) және тікелей ток режимінде жұмыс істейді, бұл электронды транзисторлық тізбектерге тән емес [54]. Сурет 1.6 – PNP типті термиялық транзисторды тікелей ток режимінде жалпы базасы бар тізбекке қосудың жалпы схемасы Көп функциялы жартылай өткізгіш датчиктің электр тізбегі 1.7-суретте көрсетілген: R3 резисторының кедергісі EC көзінің ішкі кедергісіне, ал RK резисторының кедергісі R4 резисторының кедергісіне сәйкес келетін T1 транзисторында орындалған EC қуат көзі көрсетілген. Эмитерлік ток генераторы T4 транзисторында орындалған [55]. Сурет 1.7 – Көп функциялы датчиктің схемасы Көпфункционалды сенсордың сезімтал элементі құрама транзисторда (T2, T3) жасалады, онда T3 фототранзистор болып табылады. 1.7-суреттегі схеманың сезімтал элементі жалпы базамен қосылып, ауысулар арқылы тікелей ток режимінде жұмыс істейтіндіктен, оның жұмысына нұқсан келтірместен эмитенттік және коллекторлық шықпаларды ауыстыруға болады. Сондықтан композиттік транзисторды (T2, T3) сезімтал элемент ретінде қосу оның функционалдық сипаттамаларын сақтап қана қоймай, сенсордың сезімталдығын бірнеше есе арттыруға мүмкіндік береді. Себебі эмитерлік алшақтық тарапынан қатарынан байланысқан екі p-n-өтпесі алынғандықтан. Ақырында, D2 зенер диоды қолданылатын қыздыру элементі сенсор тізбегіне енгізіледі. Датчик тізбегінің маңызды ерекшелігін атап өтейік-оның құрамында күшейткіш элементтер жоқ, бұл тізбекті жеңілдетіп қана қоймайды, сонымен қатар оның жұмысының тұрақтылығын және сыртқы әсер етуші факторларға төзімділігін арттырады [56]. 1.8-суреттегі схемаға сәйкес келетін сенсордың интегралды схемасы өлшемі 1,2x1,2 мм және қалыңдығы 0,3 мм кремний кристалында қалыптасады. Сол электр схемасында датчиктің функционалдық ерекшеліктері қонструкциясымен, ал қысым сенсоры үшін жартылай өткізгіш кристалда мембрананың болуымен анықталады. Датчиктің функционалды мақсатына байланысты құрылымдық схемалық ерекшеліктері 1.8-суретте көрсетілген [57,58]. а) температура датчигі, б) қысым датчигі в) жарық датчигі Сурет 1.8 – Функционалдық қолданылуына байланысты көпфункционалды датчиктің құрылымдық ерекшеліктері Датчиктің қуат кернеуі 1 және 2 сымдарға беріледі. Қоршаған ортаның температурасы өзгерген кезде датчик тізбегінде екі кернеу өзгереді - Uшығ1 және Uшығ2. 3 және 4 шықпалардан алынатын шығыс кернеуі дифференциалды болып табылады және аналогты цифрлық түрлендіргіш көмегімен температураның абсолютті мәнін өлшеуге мүмкіндік береді. Датчикті электронды құрылғылармен бірге қолданған кезде, олар өңдейтін сигналдың датчикке де, осы құрылғыларға да ортақ шинаға қатысты кірісіне түсуі маңызды. Датчиктің Uшығ1 және Uшығ2 шығыс кернеулерінің қоршаған орта температурасына типтік тәуелділігі 1.9-суретте көрсетілген [59]. Сурет 1.9 – Температура сенсоры режиміндегі көп функциялы датчиктің шығыс кернеулерінің графикалық тәуелділігі Датчик механикалық қысымды электр сигналына түрлендіргіш ретінде жұмыс істеген кезде сезімтал элемент металл корпусқа орнатылды, оның дизайны 1.10, б суретте көрсетілген. Бұл өлшеуіш немесе артық қысымды өлшеуге мүмкіндік беретін датчик корпусының көлемінде атмосфералық қысымға тең тұрақты қысымды қамтамасыз етеді. Датчиктің шығыс сигналының қысымға графикалық тәуелділігі 1.10-суретте көрсетілген [60]. Сурет 1.10 – Қысым датчигі режимінде жұмыс істеу кезінде Uшығ1 қысымға тәуелділігі Өлшенетін толқын ұзындығы 0,55 мкм болған кезде фотодатчик режимінде жұмыс істеген кезіндегі Uшығ1 шығыс кернеуінің жарықтандыруға типтік тәуелділігі 1.11-суретте көрсетілген. Әдіс тензомосттың қуат диагоналіне ток беруді өлшеуге, ток көзінің сымдарындағы кернеулерді өлшеуге және қысым мен температура мәндерін анықтауға негізделген. Сонымен қатар, ток көзінің терминалдарындағы кернеулер, бір тензомостты қоректендіретін сым мен потенциал арасында, ал екінші тензомостты қоректендіретін сым мен потенциал арасында өлшенеді, ал қысым мен температура мәндері берілген математикалық қатынастардан анықталады. Әдісті жүзеге асыруға арналған құрылғыда көпірлі қысым түрлендіргіші (тензомост), байланыс желісі және ток көзі бар. Сурет 1.11 – Фотодатчик режимінде жұмыс істеу кезінде Uшығ1 -тың жарықтандыруға тәуелділігі Патенттік құжаттаманы талдау ғылым мен техниканың осы бағытындағы өнертапқыштық белсенділігінің де жоғары екенін көрсетті. Сонымен, Уфа мемлекеттік мұнай техникалық университетінің [61] № 2091578 патентінде келесі техникалық шешім ұсынылады (1.12-сурет). 1-4 - тензорезисторлар, 5 - тепе-теңдік резисторлары, U1 - көпірдің қуат кернеуі, I – қуат тогы, U2 и U3 – көпір тізбегінің иығындағы кернеу Сурет 1.12 – Деформация мен температураны өлшеу құрылғысы Орталық аэрогидродинамикалық институтта. проф. Н. Е. Жуковский төрт диэлектрлік пленкаға негізделген температура сенсорын ұсынды [62] (1.13-сурет). 1, 3 ,7, 8 – диэлектрлік пленкалар; 2, 6, 9, 12 – өткізгіш пленкалар; 10, 11, 14 – тақталар; 13 – перфорланған тесік; 16 - желім қабаты Сурет 1.13 – Температура датчигі Төртінші пленканың екі бетінде де, екінші пленканың жоғарғы бетінде де бір осьте қысым мен температураның сезімтал элементінің тақтайшалары пайда болады. Мыс және никель плиткалардың материалдары ретінде таңдалады. Үшінші пленка перфорацияланған. Қабаттар бір-бірімен желіммен бекітіледі. АҚШ патенті біріктірілген талшықты-оптикалық деформация мен температура сенсорының дизайнын ұсынады [63]. Өнертабыс - бір-біріне жақын орналасқан екі сезімтал аймақтан тұратын оптикалық датчик (1.14-сурет). 10 – сәулелену; 12 - сыртқы цилиндр; 14, 16 – бекітпелер; 20 - ішкі беті; 22, 26 – оптоталшық; 24, 28, 30 - оптоталшықтың ұштары; 32, 34 – тығыздағыштар; 48 – өшіргіш; 50 - шағылысатын беті Сурет 1.14 – Оптикалық деформация және температура датчигі Термиялық сезімтал аймақта температураға байланысты шағылысу коэффициенті бар. Сәуле шығаратын талшық пен термиялық сезімтал материал бір-бірінен алшақтатылған. Жазықтық арасындағы қашықтық деформацияның өзгеруіне байланысты өзгереді. Бастапқы және қайталама шағылысқан сәулелер оптикалық датчиктің орналасу аймағындағы қысымды көрсететін интерферометриялық сигналды құрайды. Термиялық сезімтал материал-бұл интерферометриялық сигнал температура туралы ақпаратты тасымалдайтын үшінші шағылысатын жазықтық. Сәулеленетін жарық өткізгіш қысым мен температураны өлшеу учаскелеріне ортақ болуы мүмкін, сонымен қатар әр учаске үшін бөлек болуы мүмкін. Сонымен қатар, ток көзінің терминалдары көп арналы аналогты-цифрлық түрлендіргіштің екі кірісіне және тензомосттың қуат диагоналімен байланыс желісінің қуат сымдары арқылы тікелей қосылады. Байланыс желісінің үшінші потенциалды сымы арқылы тензомосттың өлшеу диагоналінің бір терминалды шығысы микропроцессорлық блокқа қосылған, ал ол өз кезеіңінде аналогтық цифрлық түрлендіргіштің үшінші кірісіне қосылған. Резисторлар Уинстонның Қос көпіріне біріктірілген, яғни 42, 43, 44, 46 резисторлары бір көпірді құрайды (термиялық компенсация және ағынды өлшеу үшін), 41, 42, 45, 46 резисторлары қысымды өлшеу үшін екінші көпірді құрайды. Сондықтан температураны (В және С нүктелерінде) және қысымды (А және С нүктелерінде) бір-біріне тәуелсіз өлшеуге болады, ал ағын жылдамдығының немесе көлемдік ағынның мәндерін температура функциясы ретінде есептеуге болады. Кірістірілген электр тізбегі одан әрі өңдеу үшін қысым мен температура сигналдарын таңдайды. Сенсор коронарлық тамырлар арқылы қан қысымы мен ағынын өлшеуге арналған, бірақ оны қысымды, температураны және ағынды бір уақытта өлшеу қажет басқа жерлерде де қолдануға болады. Біріктірілген ағын мен температура датчигі АҚШ патентінде сипатталған [64] - 1.15-сурет. Сурет 1.15 – Ағын мен температураның біріктірілген датчигі Сезімтал қысым элементі диафрагмаға орнатылады, ол қысым мен ағын жылдамдығын немесе массалық ағынды бір уақытта өлшей алатындай етіп жасалған. Датчикте негізгі элемент-турбулентті газ ағынында өте кішкентай құйындыларды қабылдайтын шағын өлшемді кремний микрофоны болып саналады. Сезімтал элементке кремний субстраты кіреді (13), онда вакуумды қуыс бар (14), беттестіру әдісімен жасалған. Қуыс бойымен қалыңдығы 0.4-1.5 мкм және бүйірінің ұзындығы 100 мкм болатын кремний диафрагмасы пайда болады. Диафрагмаға пьезорезистивті элемент орнатылған (41). Тірек терморезисторына (42) қуыстың шетіне кремний субстратына перпендикуляр орналастырылған. Бұл қарсылықтың қолданылатын қысымнан тәуелсіздігін қамтамасыз етеді. Көп арналы талшықты өлшеу жүйесінің тағы бір схемасы келесі журналда жарияланған – 1.16-сурет [65]. Онда сезімтал элемент - бұл талшықты-оптикалық кабельмен спектрометр арқылы байланысқан миниатюралық Фабри-Перо интерферометрі. Сезімтал элемент – қатты мембранаға қолданылатын орта қысымы кең жолақты оптикалық спектрдің модуляциясын тудырады. Температура сәулелену спектріне де әсер етеді, оны қысым спектріне қатысты жылжытады. Спектрометрдің сигналы контроллермен өңделеді, нәтижесінде қысым мен температура шамалары есептеледі, бұл сезімтал элементтің – қатты мембрананың деформациясын тудырды. Сурет 1.16 – Сезімтал элементтер мен спектрометрді қолдана отырып, деформация мен температураны өлшеу жүйесінің схемасы Дәл осы мақалада қысым мен температураның екі арналы бастапқы түрлендіргіштері бар өлшеу жүйесінің моделі келтірілген 1.16-сурет. Авторлардың пікірінше, қысым мен температураны бақылауға арналған талшықты-оптикалық өлшеу жүйелері физикалық шамалардың дәстүрлі аналогтық датчиктеріне қарағанда келесідей артықшылықтарға ие: Қоршаған орта параметрлерін өлшеу нүктелерінде орналастырылған қуат көздері электрмен жабдықтауды қажет етпейді. Олардан сигнал бір модалы талшықты-оптикалық кабель арқылы 600 м-ге дейінгі қашықтықтағы спектрометрге берілуі мүмкін. Талшықты-оптикалық сезімтал элементтер және олардың негізіндегі байланыс арналары электромагниттік кедергілердің кең ауқымына өте төзімді, сонымен қатар толығымен жарылғыш және отқа төзімді [66]. Фабри-Перо интерферометрия әдісінің жоғары сезімталдығы барлық дерлік қысым диапазондарында бір сезімтал элементті пайдалануға мүмкіндік береді, ал өлшеу қателігі 0,5 кПа-дан 42,0 МПа-ға дейінгі қысымды өлшеудің жоғарғы шегінен 0,01% - дан аспайды. Өлшеу процесінде негізгі элементтің ұзындығы - Фабри-Перо интерферометрі, сезімтал элемент – қатты мембрананың деформациясымен сәйкес өзгереді. Сондықтан, әрбір өлшеу алдында қол жетімді негізгі элемент ұзындығының абсолютті мәні бастапқы түрлендіргішті нөлді "ығыстыратын" аддитивті кедергілердің әсерінен тәуелсіз етеді. Бұл жағдайда нөлдік тұрақсыздық мәселесі автоматты түрде шешіледі. Біріктірілген қысым мен температура датчиктері конструкцияларының жай-күйі мен даму тенденцияларын зерттеу қазіргі уақытта, сондай-ақ жақын болашақта жартылай өткізгіш және микромеханикалық технологияларды қолдана отырып жасалған физикалық шамалардың датчиктері ең перспективалы болатынын көрсетті (сурет 1.17) [67, 68]. Сурет 1.17 – Әлемдік нарықтағы физикалық шама аралас датчиктерінің (%- бен) бөлінуі Әлемдегі физикалық шама датчиктерінің даму деңгейін көрнекі түрде көрсету үшін біз датчиктердің микроэлектрондық компоненттерінің әртүрлі конструктивті модельдерін және ғылымның, техниканың және технологияның әртүрлі салаларында қолданылған көпфункционалды датчиктерге мысал келтіреміз [69,70]. Мысалы, 1.18-суретте деформация мен температураның аралас түрлендіргіштерінің өлшеу модульдерінің әртүрлі конфигурациялары келтірілген. Сурет 1.18 – Жартылай өткізгіш сезімтал элементтерге негізделген салыстырмалы деформация және температура датчиктерінің өлшеу модульдері 1.18-суретте жолаушы ұшақтарының немесе суасты көліктерінің салондарындағы ауа кеңістігі параметрлерін бақылау үшін, авиацияда қолдануға болатын абсолютті деформация мен температура сенсорының өлшеу модулі көрсетілген. Ал 1.18-суретте Kulite фирмасының өлшеу модульдері бейнеленген: Жоғары температуралы және қос арналы датчиктер [71]. 1 - байланыс алаңдары, 2 - вакуумды қуыс, 3 - мембрананың серпімді бөлігі, 4 – негізі Сурет 1.18 – Абсолютті деформация және температура жартылай өткізгіш сенсорының вакуумды өлшеу модулі Төменде дәстүрлі жартылай өткізгіш датчиктердің құрылымдық ерекшеліктері элементтік түрде қарастырылады және жеке функционалды маңызды түйіндердің және олардың материалдарының қоршаған ортаның жоғары температурасына төзімділігіне талдау жасалады. Температураға қатысты ең маңызды ұсыныстар анықталды және олардың температураға төзімділігін арттыруға бағытталған ұсыныстарға талдау жасалды. Тензорезистивті әсерге негізделген жартылай өткізгіш датчиктердің құнының арзандығы және олардық икемділігіне байланысты нарықта бұл датчиктер сұранысқа ие [72]. Қысымның әсерінен датчиктің кедергісі өзгереді. Бұл датчиктердің негізгі кемшілігі-қарсылық тек қысымның әсерінен ғана емес, температураның әсерінен де өзгереді. Бұл кемшілік термокомпенсация схемаларын қолдану арқылы жойылады. Әдетте термокомпенсация схемасы қысымды өлшеу буынына дәйекті түрде орналастырылған сілтеме болып табылады. Сондықтан датчиктің қорытынды шығыс сипаттамасы термокомпенсация мен қысымды өлшеу буынының сипаттамаларының көбейтіндісі болып табылады. Мәселе мынада, температура барлық температура мен өлшенетін қысым аралықтарында оған тікелей қарама-қарсы әсер ететін етіп термиялық компенсация схемасын таңдау қиын [73,74]. Датчиктерді жасау кезінде желімдер мен компаундты қосылыстарды қолдануға болады. Материалдардың бұл түрлері электр контактілерінің сапасы мен беріктігін арттыруға, коррозиялық ортадан қорғауға арналған. Желім мен компаундты қосылысты таңдау кезінде кептіру және газ шығару кезінде көпіршіктің болмауынан басқа қойылатын ерекше талаптар жоқ. Осыған байланысты өнімділігі 1300 °C-тан жоғары кез-келген материалды таңдауға болады [75]. Сымдарға жоғары температура әсер еткенде негізгі қиындық оқшаулағыш қабықтың бұзылуы және кернеуі мен кедергісінің төмендеуі болып табылады. Жұмыс кернеулерінің төмен мәндерін (5-10 В - тан аспайтын) және сымдарды төсеу бойынша қосымша конструктивтік шараларды қолдануды ескере отырып, материалдар ретінде кремний органикалық лакпен сіңдірілген шыны жіптермен көп қабатты оралған сымдарды пайдалануға болады [76]. Қысым датчиктерінің құрылымындағы негізгі функционалды элемент, әрине, сезімтал элемент болып табылады. Қазіргі уақытта жартылай өткізгіш сезімтал элементтер бірнеше негізгі өндіріс технологияларының көмегімен қалыптасады: көлемді кремний және диэлектриктегі кремний (диэлектриктегі поли - кремний, ди - электриктегі кремний карбиді) [77]. Көлемді кремний негізіндегі сезімтал элементтің құрылымдарында электр тізбегі бордың n типті кремний құрылымына диффузиясы арқылы серпімді элементте тікелей қалыптасады. Тізбек элементтерін оқшаулау кері ығысқан p-n түйіспесінің қасиеттеріне байланысты жүзеге асырылады және оның барлық артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Мұндай құрылымның максималды жұмыс температурасы 120 °C-пен шектелген. Жартылай өткізгіш сезімтал элементтердің одан әрі дамуы "диэлектриктегі кремний" құрылымын құру болып табылады. P-n ауысуы қамтамасыз ететін оқшаулаудан айырмашылығы, тензосхема мен субстрат арасында диэлектрик қабаты (кремний оксиді, кремний нитриді және т.б.) арқылы оқшаулау жасау ағып кету токтарының пайда болуын болдырмайды. Алайда, мысалы, "диэлектриктегі поликремний" құрылымдарында өлшеу схемасы диэлектрик қабатындағы құрғақ оттегідегі кремнийдің тотығуы арқылы қалыптасады. Мұндай датчиктердің максималды жұмыс температурасы 250 ºС-пен шектелген [78]. Отандық және шетелдік компаниялардың SiС кремний карбидін жартылай өткізгіш сезімтал элементтерге арналған материал ретінде қолдануы қысымды кең температура диапазонында өлшеу мүмкіндігін ашты. Кәдімгі кремниймен салыстырғанда SiС диапазонының үлкен ені температураға төзімділікті айтарлықтай арттырады. Карбид-кремний тензорезисторлары тотықта магнетронды бүрку арқылы маска арқылы субстратты 350 °с дейін қыздыру температурасында түзіледі, содан кейін алюминий металлизациясын қолданады. Осындай сезімтал элементер қысымды 600 °C дейін өлшеуді қамтамасыз етеді [79]. Реактивті қозғалтқыштарға арналған қысым датчиктеріне қойылатын талаптарға, сондай-ақ қолданылатын материалдарды талдауға сүйене отырып, жартылай өткізгіш датчиктерді дәстүрлі түрде дамытудың мүмкін еместігі туралы қорытынды жасауға болады [80]. Жоғары температураға ұшыраған кезде жұмыс істейтін датчиктің құрылымын жасау үшін келесі модернизация әдістерін ұсынуға болады: Реактивті қозғалтқыш жүйесінің компоненттерін салқындатудың жалпы сұйық жүйесіне қосу арқылы сұйық салқындатқышты беру және бұру мүмкіндігі бар ыстыққа төзімді қорытпадан жасалған арнайы жылу таратқыш штуцерді қолдану. Мұндай шешімді сенсордың алдындағы магистральға орнатылатын және жұмыс денесінің температурасын сезімтал элементтің жұмыс істеуі үшін қажетті температураға дейін төмендететін ағынды салқындату элементтері бар фитингті қолдану арқылы жүзеге асыруға болады. Өлшенетін ортаның жұмыс температурасының минус 150°С-тан 1327 °С-қа дейінгі диапазоны бойынша талаптарды растау үшін тетракрезилоксисилан хладагентін 67 °С температурада пайдаланған кезде берілген температуралардың әсерін модельдеу жүргізіледі . Қолданылатын материалдардың номенклатурасын оларды неғұрлым ыстыққа төзімді материалдарға ауыстыру тұрғысынан кешенді пысықтау жүргізу. Сатып алынған электр радио өнімдерін, электр коннекторларын сенсордың дизайнынан алып тастау керек, бұл элементтер ең аз ыстыққа төзімділік пен сенімділік көрсеткіштеріне ие. Өз кезегінде, бұл Шығыс аралық оқшаулаудың жоғалуына байланысты істен шығу ықтималдығын азайтуға (бастапқы және номиналды шығыс сигналының шығуы), сенсордың сенімділік көрсеткіштерінің жұп мәндерін арттыруға мүмкіндік береді. "Изолятордағы кремний" және "диэлектриктегі кремний карбиді" құрылымдарына негізделген сезімтал элементті қолдану, онда өлшеу схемасы диэлектриктің көмегімен оқшауланған. Құрылымдардың ыстыққа төзімділігін арттыру үшін SiO2 диэлектрлік қабатының қалыңдығы мен тығыздығын арттыру керек, сонымен қатар Si3N4 кремний нитриді сияқты диэлектрик ретінде балама материалдарды қолдану қажет. Сезімтал элемент топологиясын жобалау кезінде элементтер арасында ағып кету арналарының пайда болу ықтималдығын төмендететін бірқатар шаралар қабылдау қажет, мысалы, меандр типті резисторлардан бас тарту, элементтер аралық қашықтық нормасын арттыру. Мұндай шешімдер сезімтал элементтің радиациялық беріктігін едәуір арттыруға және температура диапазонының жоғарғы шекарасын 600 °C дейін арттыруға мүмкіндік береді. Брэгг торларын лазерлік сәулеленумен қос сынғыш оптикалық талшыққа жазу тәсілінде, оның ішінде қорғаныш жабыны бар талшықты интерференциялық үлгіні құрайтын екі лазерлік сәулемен сәулелендіру кезінде талшық алдын ала ені талшықтың диаметрінен асатын және оптикалық талшықтың осіне перпендикуляр бағытталған когерентті сәулелену көзінің сәулесімен сәулеленеді. Әрі қарай, сәулеленудің диффузиясының алынған интерференциялық үлгісін тіркейді және оның кескінін өңдеу кезінде оның параметрлері алынады: максимумдардың бұрыштық координаттары және олардың қарқындылығы және оларды ұқсас оптикалық талшықты оның екі сыну осьтерінің әртүрлі белгілі позицияларында алдын ала сынау кезінде алынған сәулеленудің дисперсиялық үлгілерінің ұқсас параметрлерімен салыстырады және жоғарыда көрсетілген параметрлерді салыстыру нәтижесінде талшықтың екі сыну осьтерінің орналасуын анықтайды. жазбалар және оны өз осіне айналдыру, Брэгг торының берілген параметрлерін алу үшін оптикалық талшық осі бар жазықтықты және оның баяу қос сыну осін, құрамында оптикалық талшық осі бар жазу радиациясының түсу жазықтығына қатысты бағыттаңыз. Техникалық нәтиже-интерференциялық толқындардың түсу жазықтығына қатысты оптикалық талшықтың Қос сыну осьтерін алдын ала орналастыру арқылы ТБТ жазу тұрақтылығын арттыру. Талшықты Брэгг торларын жазу әдісі [Hartmut Bartelt, Kay Shcuster, Sonya Unger, Christoph Chojetzki, Manfred Rothhardt, Ines Latka Single-pulse fiber Bragg gratings and specific coatings for use at elevated temperatures. Applied optics. 2007. Vol. 46. No. 17. 3417-бет] жұмыстарынан белгілі, ол фазалық масканы жарық бөлгіш ретінде қолдана отырып, Талбот интерферометрін қолдануға негізделген. Ультракүлгін эксимерлі лазерлік жүйе жазу сәулесінің көзі ретінде қолданылады, сәуле цилиндрлік линза арқылы сызықтық қозғалысқа орналастырылған Талбот интерферометріне жіберіледі. Интерферометрде жазу сәулесі фазалық маскамен бөлінеді, нөлдік тәртіп қақпақпен жабылады. Фазалық маскадан кейінгі сәулелер айналмалы қозғалыстардағы екі жоғары шағылысатын айнаға түседі, олардың орналасуы интерференция үлгісінің қажетті сипаттамаларын алу үшін реттеледі. Содан кейін оптикалық талшық полимерлі жабыннан босатылады, ұстағышқа бекітіледі және эксимерлі лазердің сәулелену интерференциясы аймағына орналастырылады, содан кейін оған Брэгг торы жазылады. Талшықты Брэгг торларын жазу әдісі [K. O. Hill, V. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson, J. Albert. Bragg gratings fabricated in mono mode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phasemask. Appl. Phys. Lett. 1993, V. 62, б.1035] жұмысынан белгілі фазалық масканы қолдануға негізделген. Ультракүлгін эксимерлі лазер жазу радиациясының көзі ретінде қолданылады. Сәуле фазалық маскаға сызықтық қозғалыстағы цилиндрлік линза арқылы жіберіледі. Қажетті жазу параметрлерін алу үшін цилиндрлік линзаның орны алдын ала таңдалады. Оптикалық талшық полимерлі жабыннан босатылады және ұстағышқа фазалық Маска бетінен бірнеше микрометр қашықтықта орналастырылады, содан кейін эксимерлі лазердің сәулелену импульстарымен Брэгг торын жазады [81]. Белгілі әдістердің кемшілігі мынада: ол изотропты толқын өткізгіштердегі Брэгг торларын жазуға арналған және интерференциялық толқындардың түсу жазықтығына қатысты қос сынғыш оптикалық талшық элементтерінің алдын ала бағдарлануы жоқ, бұл Брэгг торларын жазудың тұрақсыздығына әкеледі, өйткені механикалық кернеуді тудыратын элементтердің қасиеттері, мысалы, материалды сәулеленуді сіңіру, олардың геометриялық параметрлері және профиль сыну көрсеткіштері талшықты жазу тиімділігіне әсер етеді. Талшықты Брэгг торларына прототип ретінде таңдалған қос сынғыш талшықтарға жазу әдісі [Varzhel' S. V., Kulikov A. V., Meshkovskii I. K., Strigalev V. E. Bragg gratings in a birefringent optical fiber with a single 20-ns pulse of an excimer Laser. Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. №. 4. фазалық масканы қолдануға негізделген 257-259] жұмысынан белгілі. Жазу сәулеленуінің көзі ретінде krf эксимерлі лазер қолданылады. Одан сәуле сызықтық микропозицияға бекітілген саңылау мен цилиндрлік линза арқылы фазалық маскаға бағытталады. Қажетті жазу параметрлерін алу үшін эксимерлі лазерлік жүйенің құрамындағы Аттенюатор, цилиндрлік линзаның саңылауы мен орны алдын-ала таңдалады. Оптикалық талшық тазартылады, тазартылған аймақ магниттік ұстағышқа бекітіледі, содан кейін фазалық масканың бетінен бірнеше микрометр қашықтықта орналастырылады, содан кейін Брэгг торы эксимерлі лазердің сәулелену импульстарымен талшыққа жазылады. Белгілі әдістің кемшілігі - интерференциялық толқындардың түсу жазықтығына қатысты оптикалық талшықтың қос сыну осьтерінің алдын ала бағдарлануының болмауы, бұл талшықты Брэгг торларының жазу тұрақтылығын төмендетуі мүмкін. жүктеу/скачать 6,91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|