RU2486646C1 - Surface acoustic wave sensor for wireless passive measurement of displacements - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: surface acoustic wave (SAW) sensor for wireless passive measurement of displacements has a reading device and a SAW device. The reading device consists of a transceiver and an antenna, and the SAW device has an antenna and SAW resonators, each having an interdigital transducer which is electrically connected to the antenna of the SAW device, and two reflecting structures; the sensor also includes a rod, two diaphragms, two covers, two glass/metal insulators, spacers with two fluoroplastic films, a spacer made from solid substance, and mountings for the SAW device.

EFFECT: high accuracy of measuring displacements in real operating conditions associated with the effect of environmental factors.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах мониторинга напряженно-деформированного состояния объектов.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in monitoring systems of the stress-strain state of objects.

Известен датчик механических напряжений, содержащий устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в виде консоли из пьезоэлектрического кварца, внешнее воздействие на которую приводит к изменению параметров устройства (Патент США №3888115 от 10.07.1975 года, МПК G01b 7/16). Недостатками данного устройства является то, что датчик является проводным, т.е. сигнал от устройства передается по кабелю, кроме того, датчик активный и требует элементы питания, кроме того, в устройстве используются линии задержки на ПАВ, а не резонаторы на ПАВ, что ухудшает точность и чувствительность устройства, кроме того, в предлагаемом устройстве отсутствуют элементы конструкции, передающие внешнее воздействие к консоли и обеспечивающие герметичность устройства на ПАВ, поэтому данное устройство не может быть использовано для проведения измерений в условиях воздействия факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.A known sensor of mechanical stresses containing a device on surface acoustic waves (SAW) in the form of a console of piezoelectric quartz, the external impact of which leads to a change in the parameters of the device (US Patent No. 3888115 of 07/10/1975, IPC G01b 7/16). The disadvantages of this device is that the sensor is wired, i.e. the signal from the device is transmitted via cable, in addition, the sensor is active and requires batteries, in addition, the device uses delay lines for SAWs, and not resonators for SAWs, which impairs the accuracy and sensitivity of the device, in addition, the proposed device lacks structural elements transmitting external influence to the console and ensuring the tightness of the device on the surfactant, therefore, this device cannot be used for measurements under environmental factors: precipitation, dust, moisture, etc.

Известен опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ с антенной, причем устройство на ПАВ может быть выполнено в виде резонаторов на ПАВ (Патент РФ №2105993 С1 от 21.12.1992 года). Недостатками данного устройства является то, что в нем отсутствуют элементы конструкции для передачи измеряемых величин, а также элементы крепления устройства на ПАВ для передачи ему измеряемых воздействий, кроме того, поскольку корпус датчика отсутствует, то устройство не работоспособно в условиях воздействия факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.Known radio-interrogated passive sensor on surface acoustic waves, containing a reading device and a device for a SAW with an antenna, and a device for a SAW can be made in the form of resonators for a SAW (RF Patent No. 2105993 C1 dated 12/21/1992). The disadvantages of this device is that it lacks structural elements for transmitting measured values, as well as elements for fastening the device to a surfactant to transmit measured effects to it, in addition, since the sensor housing is absent, the device is not operable under environmental factors: precipitation dust, moisture, etc.

Известно устройства преобразования движения на основе задержки поверхностных акустических волн, включающие устройство на ПАВ в виде консольно закрепленной пластины, а для измерения внешнего воздействия используется относительное изменение характеристик распространения ПАВ при изгибе консоли (Патент США №3848144 от 12.11.1974 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик является проводным, т.е. сигнал от устройства передается по кабелю, кроме того, датчик активный и требует элементы питания, а в качестве устройства на ПАВ используются линии задержки на ПАВ, а не резонаторы на ПАВ, что ухудшает точность и чувствительность датчика, наконец, в предлагаемом устройстве отсутствуют элементы конструкции, передающее внешнее воздействие к устройству на ПАВ и обеспечивающие его герметичность, поэтому данное устройство не может быть использовано в условиях воздействия факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.Known devices for converting motion based on the delay of surface acoustic waves, including a device on a surfactant in the form of a cantilever fixed plate, and to measure external influence, a relative change in the propagation characteristics of the surfactant is used when the console is bent (US Patent No. 3848144 of 11/12/1974). The disadvantages of this device is that the sensor is wired, i.e. the signal from the device is transmitted via cable, in addition, the sensor is active and requires batteries, and as a device for a SAW, delay lines for a SAW are used rather than resonators for a SAW, which degrades the accuracy and sensitivity of the sensor, finally, there are no design elements in the proposed device transmitting external influence to the device on the surfactant and ensuring its tightness, therefore, this device cannot be used under the influence of environmental factors: precipitation, dust, moisture, etc.

Известно устройство корпуса для датчика механических напряжений, включающее корпус, внутри которого расположено устройство на ПАВ с резонаторами (Патент США №7886607 от 15.02.2011 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик пригоден для измерения механических напряжений, вызванных силовыми нагрузками, например крутящим моментом вала, на котором он закреплен, и не пригоден для точных измерений перемещений, поскольку известно, что точное измерение силы, вызывающей относительное перемещение отдельных частей датчика, и точное измерение самого перемещения, которое вызвано этой силой, конфликтуют между собой, поэтому конструкция данного датчика ориентирована на точное измерение крутящего момента и не пригодна для точного измерения перемещения.A housing device for a sensor of mechanical stresses is known, including a housing, inside of which there is a device for a SAW with resonators (US Patent No. 7886607 of 02.15.2011). The disadvantages of this device is that the sensor is suitable for measuring mechanical stresses caused by power loads, for example the torque of the shaft on which it is mounted, and is not suitable for accurate measurements of displacements, since it is known that the exact measurement of the force causing the relative movement of individual parts of the sensor , and the exact measurement of the movement itself, which is caused by this force, conflict with each other, therefore the design of this sensor is focused on accurate measurement of torque and not at suitable for accurate measurement of displacement.

Известно устройство корпуса и датчика на поверхностных акустических волнах, включающий устройство на ПАВ, антенну и считывающее устройство, кроме того, датчик также может содержать радиометку на ПАВ (Патент США №7730772, В2 от 08.06.2010 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик пригоден для измерения механических напряжений, вызванных силовыми нагрузками, в данном случае внешним атмосферным давлением и не пригоден для точных измерений перемещений. Поскольку известно, что точное измерение силы, вызывающей относительное перемещение отдельных частей датчика, и точное измерение самого перемещения, которое вызвано этой силой, конфликтуют между собой, поэтому конструкция данного датчика пригодна для точного измерения давления и не пригодна для точного измерения перемещения.A device of the housing and the sensor on surface acoustic waves is known, including a device for a SAW, an antenna and a reader, in addition, the sensor may also contain a RFID tag (US Patent No. 7730772, B2 dated 06/08/2010). The disadvantages of this device is that the sensor is suitable for measuring mechanical stresses caused by power loads, in this case, external atmospheric pressure and is not suitable for accurate measurement of displacements. Since it is known that the exact measurement of the force causing the relative movement of individual parts of the sensor, and the exact measurement of the movement itself, which is caused by this force, conflict with each other, therefore the design of this sensor is suitable for accurate pressure measurement and not suitable for accurate measurement of movement.

Известен чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия-растяжения, содержащий устройство на ПАВ, состоящее из двух резонаторов на ПАВ, закрепленных на консоли (Патент РФ №2401999 от 20.10.2010 года). Недостатками данного устройства является то, что устройство пригодно для измерения механических напряжений, вызванных силовыми нагрузками консоли, и не пригодно для точных измерений перемещений, поскольку известно, что точное измерение силы, вызывающей относительное перемещение отдельных частей датчика, и точное измерение самого перемещения, которое вызвано этой силой, конфликтуют между собой, поэтому конструкция датчика может обеспечивать либо точное измерение силы, либо точное измерение перемещения, кроме того, данная конструкция не технологична, поскольку предполагает пайку устройства на ПАВ к консоли, что плохо совместимо с требованиями к высокой чистоте поверхности резонаторов на ПАВ, необходимой для обеспечения высокой добротности резонаторов на ПАВ, которая, в свою очередь, обеспечивает высокую чувствительность датчика.A known sensor element of the linear compression-tensile forces sensor comprising a surfactant device consisting of two surfactant resonators mounted on a console (RF Patent No. 2401999 of 20.10.2010). The disadvantages of this device is that the device is suitable for measuring mechanical stresses caused by power loads of the console, and is not suitable for accurate measurements of displacements, since it is known that the exact measurement of the force causing the relative movement of individual parts of the sensor, and the exact measurement of the displacement itself, which is caused by by this force, they conflict with each other, therefore, the design of the sensor can provide either an accurate measurement of force or an exact measurement of displacement, in addition, this design e is technological, as it involves soldering SAW devices to the console, poorly compatible with the requirements for high cleanliness on the surface of SAW resonators required to provide a high Q SAW resonators, which in turn provides a high sensitivity of the sensor.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является датчик и/или устройство идентификации, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ, которое может выполнять функции радиометки или чувствительного элемента датчика, при этом считывающее устройство состоит из приемо-передатчика и антенны, а устройство на ПАВ содержит антенну и резонаторы на ПАВ, каждый из которых содержит встречно-штыревой преобразователь (ВШП), который электрически связывается с антенной устройства на ПАВ, и двух отражательных структур (ОС) (Патент США №5691698 от 25.11.1997 года). Недостатками данного устройства является то, что датчик данной конструкции без дополнительных конструктивных элементов невозможно использовать для измерения перемещений, кроме того, поскольку у датчика отсутствует корпус, обеспечивающий герметичность устройства на ПАВ, датчик не работоспособен в реальных условиях, связанных с воздействием факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д., наконец, использование в радиометке резонаторов на ПАВ существенно ограничивает возможное число радиометок с различными кодами.Closest to the technical nature of the proposed technical solution is a sensor and / or identification device containing a reader and a device for SAW, which can perform the functions of a tag or a sensitive element of the sensor, while the reader consists of a transceiver and antenna, and the device The SAW contains an antenna and resonators on the SAW, each of which contains an interdigital converter (IDT), which is electrically connected to the antenna of the device on the SAW, and two reflectors ln structures (OS) (US Patent No. 5691698 dated November 25, 1997). The disadvantages of this device is that the sensor of this design without additional structural elements cannot be used to measure displacements, in addition, since the sensor does not have a housing that ensures the tightness of the device on the surfactant, the sensor is not functional in real conditions associated with the influence of environmental factors: precipitation , dust, moisture, etc., finally, the use of SAW resonators in the RFID tag significantly limits the possible number of RFID tags with different codes.

Задачей изобретения является создание датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, позволяющего проводить измерения перемещений с высокой точностью в реальных условиях, связанных с воздействием факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.The objective of the invention is the creation of a sensor on surface acoustic waves for passive wireless measurement of displacements, allowing measurements of displacements with high accuracy in real conditions associated with the influence of environmental factors: precipitation, dust, moisture, etc.

Технический результат, который будет получен при осуществлении изобретения, заключается в увеличении точности измерения перемещений в реальных условиях эксплуатации, связанных с воздействием факторов окружающей среды: осадки, пыль, влага и т.д.The technical result that will be obtained during the implementation of the invention is to increase the accuracy of measuring displacements in real operating conditions associated with the influence of environmental factors: precipitation, dust, moisture, etc.

Для достижения данного технического результата датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ, при этом считывающее устройство состоит из приемо-передатчика и антенны, а устройство на ПАВ содержит антенну и резонаторы на ПАВ, каждый из которых содержит встречно-штыревой преобразователь, который электрически связан с антенной устройства на ПАВ, и двух отражательных структур, снабжен герметичным корпусом, включающим, в том числе, основание корпуса, две гибких мембраны, выполненных, например, из бериллиевой бронзы и жестко соединенных с элементом, передающим перемещение - металлическим штоком, причем две мембраны впаяны или вклеены в две крышки, а крышки впаяны или вклеены в основание корпуса, а шток имеет выступ, который контактирует с прокладкой, выполненной из твердого вещества, например лейкосапфира, причем прокладка приклеена к устройству на ПАВ в месте контакта с выступом штока, причем устройство на ПАВ прижимается к основанию корпуса креплением, и в месте крепления между основанием корпуса и устройством на ПАВ, а также между креплением и устройством на ПАВ помещены две тонкие фторопластовые пленки, кроме того, для идентификации датчика используется радиометка в виде линии задержки на ПАВ с отражательными структурами, электрически соединенная с антенной устройства на ПАВ через согласующие элементы, кроме того, электрическое соединение элементов датчика, расположенных внутри корпуса датчика, с антенной датчика осуществляется через два металлостеклянных изолятора, впаянных в крышку корпуса.To achieve this technical result, a sensor on surface acoustic waves for passive wireless movement measurement, comprising a reader and a SAW device, the reader consists of a transceiver and antenna, and the SAW device contains an antenna and SAW resonators, each of which contains an interdigital transducer, which is electrically connected to the antenna of the SAW device, and two reflective structures, is equipped with a sealed housing, including, including casing, two flexible membranes made, for example, of beryllium bronze and rigidly connected to the element transmitting movement - a metal rod, and two membranes are soldered or glued into two covers, and the covers are soldered or glued to the base of the body, and the rod has a protrusion, which is in contact with a gasket made of a solid substance, such as leucosapphire, and the gasket is glued to the device on the surfactant in the place of contact with the protrusion of the rod, and the device on the surfactant is pressed to the base of the housing by mounting, and in place is attached between the base of the case and the device on the surfactant, as well as between the mount and the device on the surfactant, two thin fluoroplastic films are placed, in addition, a radio tag in the form of a delay line on the surfactant with reflective structures is used to identify the sensor, electrically connected to the antenna of the device on the surfactant through matching elements, in addition, the electrical connection of the sensor elements located inside the sensor housing with the sensor antenna is carried out through two metal-glass insulators soldered into the housing cover.

Введение в состав датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, штока, двух мембран, двух крышек, двух металлостеклянных изоляторов, прокладки с двумя фторопластовыми пленками, прокладки, выполненной из твердого вещества, и крепления устройства на ПАВ, позволяет обеспечить новое свойство, заключающееся в герметичности датчика и точности измерения перемещения в условиях воздействия факторов окружающей среды, а использование в радиометке линии задержки с отражательными структурами вместо резонаторов на ПАВ увеличит число возможных датчиков с различными идентификационными кодами.The introduction of a sensor on surface acoustic waves for passive wireless measurement of displacements, a rod, two membranes, two covers, two metal-glass insulators, a gasket with two fluoroplastic films, a gasket made of solid material, and mounting the device on a surfactant allows us to provide a new property, which consists in the tightness of the sensor and the accuracy of measuring displacement under environmental factors, and the use of a delay line with reflective structures in the RFID tag Surveying surfactant resonators will increase the number of possible sensors with different identification codes.

Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг.1 представлен чертеж устройства на ПАВ в корпусе, где обозначеноfigure 1 presents a drawing of a device for a surfactant in the housing, where indicated

1 - основание корпуса;1 - housing base;

2 - плата устройства на ПАВ;2 - board device on the SAW;

3 - элементы согласования резонаторов;3 - elements matching resonators;

4 - антенна устройства на ПАВ;4 - antenna device for SAW;

5 - крепление;5 - mount;

6 - фторопластовая пленка;6 - fluoroplastic film;

7 - шток с выступом;7 - a rod with a protrusion;

8 - пластина из твердого вещества (например, лейкосапфира);8 - a plate of a solid (for example, leucosapphire);

9 и 10 - мембраны;9 and 10 - membranes;

11 и 12 крышки;11 and 12 covers;

13 - радиометка;13 - radio tag;

14 - элементы согласования радиометки;14 - elements matching RFID tags;

15 - металлостеклянные изоляторы;15 - metal-glass insulators;

П - места пайки;P - soldering places;

на фиг.2 представлено устройство на ПАВ, где обозначеноfigure 2 presents the device on the surfactant, where indicated

1 - часть основания корпуса;1 - part of the base of the housing;

2 - плата устройства на ПАВ;2 - board device on the SAW;

3 - элементы согласования резонаторов;3 - elements matching resonators;

4 - антенна устройства на ПАВ;4 - antenna device for SAW;

F - направление и место воздействия внешнего перемещения;F - direction and place of influence of external displacement;

ΔХ - величина перемещения края пластины с устройством на ПАВ;ΔX is the amount of movement of the edge of the plate with the device on the surfactant;

на фиг.3 представлена одна из возможных конструкций радиометки в виде линии задержки с отражательными структурами с схема ее подключения к антенне, где обозначеноfigure 3 presents one of the possible designs of the RFID tag in the form of a delay line with reflective structures with a diagram of its connection to the antenna, where indicated

4 - антенна устройства на ПАВ;4 - antenna device for SAW;

13 - радиометка в виде линии задержки с отражательными структурами;13 - RFID tag in the form of a delay line with reflective structures;

14 - элементы согласования радиометки;14 - elements matching RFID tags;

на фиг.4 представлена блок-схема датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, где обозначеноfigure 4 presents a block diagram of a sensor on surface acoustic waves for wireless passive measurement of movements, where indicated

2 - плата устройства на ПАВ;2 - board device on the SAW;

4 - антенна устройства на ПАВ;4 - antenna device for SAW;

16 - устройство на ПАВ в корпусе;16 - device for surfactants in the housing;

17 - антенна считывающего устройства;17 - antenna reader;

18 - считывающее устройство;18 - reading device;

19 - приемо-передатчик;19 - transceiver;

20 - компьютер;20 - computer;

на фиг.5 представлен график калибровки одного из датчиков на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений.figure 5 presents a graph of the calibration of one of the sensors on surface acoustic waves for wireless passive measurement of displacements.

Чертеж устройства на ПАВ в корпусе 16 показан на фиг.1. На основании корпуса 1 консольно закреплена плата устройства на ПАВ 2 в виде пластины из монокристаллического кварца, на котором сформированы два резонатора на ПАВ R1 и R2 (фиг.2). Возможно также использование других монокристаллических материалов, например ниобата лития, танталата лития, лангасита и т.д. Резонаторы R1 и R2 через элементы согласования 3 и металлостеклянные изоляторы 15, обеспечивающие герметичность внутренней полости корпуса, подключены к антенне 4. Резонатор R1 расположен на недеформируемой части платы 2, а резонатор R2 на деформируемой части платы 2. Плата 2 плотно прижата к основанию корпуса 1 с помощью прижима 5 с винтами. Для предохранения от повреждения платы 2 при ее деформировании в процессе измерений, между основанием корпуса 1 и платой 2, а также межу платой 2 и прижимом 5 помещены две тонкие фторопластовые пленки 6, толщиной 5-10 мкм каждая. Пленка 6 должна быть тонкой, чтобы исключить ее влияние на результаты измерений, поскольку сжатие пленки при длительном или кратковременном изгибе платы 2 может приводить к искажению результатов измерений.A drawing of a device for a SAW in the housing 16 is shown in figure 1. On the basis of the housing 1, the device board is cantilevered on the surfactant 2 in the form of a plate of single-crystal quartz, on which two resonators on the surfactant R1 and R2 are formed (Fig. 2). It is also possible to use other single crystal materials, for example lithium niobate, lithium tantalate, langasite, etc. The resonators R1 and R2 through the matching elements 3 and the metal-glass insulators 15, ensuring the tightness of the internal cavity of the case, are connected to the antenna 4. The resonator R1 is located on the undeformable part of the board 2, and the resonator R2 on the deformable part of the board 2. The board 2 is tightly pressed to the base of the case 1 using clamp 5 with screws. To protect against damage to the board 2 during its deformation during measurements, two thin fluoroplastic films 6 with a thickness of 5-10 μm each are placed between the base of the case 1 and the board 2, as well as between the board 2 and the clip 5. The film 6 should be thin in order to exclude its influence on the measurement results, since the compression of the film during prolonged or short-term bending of the board 2 can lead to distortion of the measurement results.

Величина измеряемого перемещения передается к плате устройства на ПАВ 2 с помощью штока 7 через тонкую пластину 8 из твердого материала, например лейкосапфира. Пластина 8 исключает изнашивание материала платы 2 в месте контакта с штоком 7 в процессе эксплуатации датчика. В отсутствии пластины 8 стирание или микроцарапины пластины 2 могут привести к искажению результатов измерения с нарастанием ошибки в процессе эксплуатации. Твердость лейкосапфира по Моосу равна 9, тогда как у кварца лишь 7. Для обеспечения герметичности датчика при возможности перемещения штока 7 использованы две упругие мембраны 9 и 10, выполненные, например, из бериллиевой бронзы и закрепленные на крышках 11 и 12. Шток 7 закреплен в центре мембран 9 и 10 пайкой или клеем. Места пайки или нанесения клея обозначены П. Мембраны 9 и 10 обеспечивают перемещение штока в направлении его оси на требуемую величину (например, +-1 мм) при минимальном усилии, прикладываемом к штоку 7. Кроме того, упругие мембраны 9 и 10 вместе с направляющими основания корпуса 1 обеспечивают жесткое удержание штока 7 от перемещений в горизонтальных направлениях относительно оси штока и, таким образом, стабильность и точность результатов измерения.The magnitude of the measured movement is transmitted to the device board on the surfactant 2 using the rod 7 through a thin plate 8 of solid material, such as leucosapphire. The plate 8 eliminates the wear of the material of the board 2 at the point of contact with the rod 7 during operation of the sensor. In the absence of plate 8, abrasion or micro-scratches of plate 2 can lead to distortion of the measurement results with an increase in error during operation. The Mohs hardness according to Mohs is 9, while that of quartz is only 7. To ensure the tightness of the sensor, if the rod 7 can be moved, two elastic membranes 9 and 10 are used, made, for example, of beryllium bronze and mounted on the covers 11 and 12. The rod 7 is fixed in the center of membranes 9 and 10 by soldering or glue. Places for soldering or applying glue are indicated P. The membranes 9 and 10 provide for the movement of the rod in the direction of its axis by the required amount (for example, + -1 mm) with a minimum force applied to the rod 7. In addition, the elastic membranes 9 and 10 together with the guides the base of the housing 1 provide a rigid retention of the rod 7 from movement in horizontal directions relative to the axis of the rod and, thus, stability and accuracy of the measurement results.

Конструкция платы устройства на ПАВ 2 показана на фиг.2 и содержит два резонатора на ПАВ R1 и R2, причем каждый резонатор состоит из встречно-штыревого преобразователя, справа и слева от которого расположены отражательные структуры в виде канавок или металлических полосок. Плата 2 выполнена из пьезоэлектрического монокристалла. Резонатор на ПАВ R1 расположен на недеформируемой части платы 2, а резонатор на ПАВ R2 на деформируемой части платы 2. Плата 2 закреплена на основании корпуса 1 с помощью прижима 5 винтами. Резонансная частота f_R1 резонатора R1 зависит только от внешней температуры, а резонансная частота f_R2 резонатора R1 зависит от величины смещения ΔХ края консоли и внешней температуры, разность Δf=f_R2-f_R1 зависит только от величины смещения ΔX края консоли.The design of the circuit board of the device for SAW 2 is shown in Fig.2 and contains two resonators for SAW R1 and R2, each resonator consisting of an interdigital transducer, to the right and left of which are reflective structures in the form of grooves or metal strips. The board 2 is made of a piezoelectric single crystal. The resonator on the surfactant R1 is located on the non-deformable part of the board 2, and the resonator on the surfactant R2 on the deformable part of the board 2. The board 2 is fixed to the base of the housing 1 by pressing 5 with screws. The resonant frequency f _{R1 of the} resonator R1 depends only on the external temperature, and the resonant frequency f _{R2 of the} resonator R1 depends on the offset ΔX of the cantilever edge and the external temperature, the difference Δf = f _R2 -f _R1 depends on the offset ΔX of the cantilever edge.

Датчик может содержать также радиометку 13, выполненную в виде ВШП с рядом отражательных структур (фиг.3), каждая из ОС состоит из группы канавок, сформированных на пластине из пьезоэлектрического материала. Радиометка 13 через элементы согласования 14 и металлостеклянные резонаторы 15, обеспечивающие герметичность внутренней полости корпуса, также подключена к антенне 4.The sensor may also contain a RFID tag 13, made in the form of IDT with a number of reflective structures (Fig. 3), each OS consists of a group of grooves formed on a plate of piezoelectric material. The RFID tag 13 through matching elements 14 and metal-glass resonators 15, ensuring the tightness of the internal cavity of the housing, is also connected to the antenna 4.

Датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений работает следующим образом.The sensor on surface acoustic waves for wireless passive measurement of displacements works as follows.

Пусть под внешним воздействием F шток 7 переместился на величину ΔX. Свободное перемещение штока обеспечивают мембраны 9 и 10. Переданное через пластину 8 это перемещение вызывает смещение края платы 2 также на величину ΔХ (фиг.2). Под воздействием прогиба платы 2 резонансная частота резонатора R2 изменится, что регистрируется опросом датчика с помощью считывающего устройства 18.Let the rod 7 be displaced by ΔX under external influence F. The free movement of the stem is provided by the membranes 9 and 10. This movement transmitted through the plate 8 causes a displacement of the edge of the board 2 also by ΔX (Fig. 2). Under the influence of the deflection of the board 2, the resonant frequency of the resonator R2 will change, which is recorded by polling the sensor using a reader 18.

Опрос датчика считывающим устройством 18 происходит следующим образом. Блок-схема датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений представлена на фиг.4. По команде с компьютера 20 считывающее устройство 18 формирует N опросных радиоимпульсов, где N равно, например, 5, с фиксированными, равноотстоящими несущими частотами f₀₁…f_N (например, f₀₁=433 и f_0N=434 МГц). Длительность каждого опросного импульса зависит от добротности резонаторов и при нагруженной добротности, например, ~8000 может быть, например, ~10 мкс. Опросные импульсы через антенну 17 излучаются в направлении устройства на ПАВ в корпусе 16. Ответные сигналы устройства на ПАВ в корпусе 16 на каждый опросный радиоимпульс через антенну 17 поступают в считывающее устройство 18. Считывающее устройство 18 выполняет усиление, фильтрацию и оцифровку принятых сигналов. Оцифрованные сигналы передаются в компьютер 20, где проходят обработку в соответствии с алгоритмами, описанными ниже. В результате обработки в компьютере 20 определяются резонансные частоты резонаторов f_R1 и f_R2, по значениям которых определяется величина перемещения ΔX.The interrogation of the sensor by the reading device 18 is as follows. The block diagram of the sensor on surface acoustic waves for wireless passive measurement of displacements is presented in figure 4. At a command from computer 20, reader 18 generates N polling radio pulses, where N is, for example, 5, with fixed, equally spaced carrier frequencies f ₀₁ ... f _N (for example, f ₀₁ = 433 and f _0N = 434 MHz). The duration of each interrogation pulse depends on the quality factor of the resonators, and for a loaded quality factor, for example, ~ 8000 can be, for example, ~ 10 μs. Interrogation pulses through the antenna 17 are emitted in the direction of the device on the SAW in the housing 16. The response signals of the device on the SAW in the housing 16 for each interrogation radio pulse through the antenna 17 are fed to the reader 18. The reader 18 amplifies, filters and digitizes the received signals. The digitized signals are transmitted to a computer 20, where they are processed in accordance with the algorithms described below. As a result of processing in the computer 20, the resonant frequencies of the resonators f _R1 and f _R2 are determined, the values of which determine the amount of displacement ΔX.

Алгоритм определения величины перемещения ΔX включает выполнение следующих процедур.The algorithm for determining the displacement ΔX includes the following procedures.

Ввод исходных данных, полученных в результате оцифровки считывающим устройством N (например, 5) импульсных откликов датчика, полученных при опросе N радиоимпульсами с фиксированными частотами заполнения f₀₁…f_N.Entering the initial data obtained as a result of digitizing by the reader N (for example, 5) the pulse responses of the sensor obtained by polling N with radio pulses with fixed filling frequencies f ₀₁ ... f _N.

Вычисление резонансных частот резонаторов по оцифрованным импульсным откликам:Calculation of resonant frequencies of resonators from digitized impulse responses:

$$f_{R1}^i=Max\left\{\mathrm{Re}{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_1}{\int }}{S}_1^i\left(t\right)\cdot \exp \left(j2\pi ft\right)dt}\right\},приf_1<f<f_2;\left(1\right)$$

$$f_{R\mathrm{one}}^i=Max\left\{\mathrm{Re}{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_{\mathrm{one}}}{\int }}{S}_{\mathrm{one}}^i\left(t\right)\cdot \exp \left(\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="j"\; filenames="00000008.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">j</figure-callout>}2\pi ft\right)dt}\right\},PR\mathrm{and}{f}_{\mathrm{one}}<f<{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="f"\; filenames="00000008.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">f</figure-callout>}}_2;\left(\mathrm{one}\right)$$

$$f_{R2}^i=Max\left\{\mathrm{Re}{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_1}{\int }}{S}_1^i\left(t\right)\cdot \exp \left(j2\pi ft\right)dt}\right\},приf_3<f<f_4;\left(2\right)$$

$$f_{R2}^i=Max\left\{\mathrm{Re}{\displaystyle \underset{0}{\overset{T_{\mathrm{one}}}{\int }}{S}_{\mathrm{one}}^i\left(t\right)\cdot \exp \left(\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="j"\; filenames="00000008.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">j</figure-callout>}2\pi ft\right)dt}\right\},PR\mathrm{and}{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="f"\; filenames="00000008.png"\; state="\{\{state\}\}">f</figure-callout>}}_3<f<f_{\mathrm{four}};\left(2\right)$$

где i - номер импульсного отклика от 1 до N; $$S_1^i\left(t\right)$$

- импульсный отклик датчика; T₁ - длительность импульсного отклика (зависит от добротности используемых резонаторов); частоты f₁ и f₂ задают диапазон частот для поиска частоты f_R1, при которой имеет место максимум преобразования (1); частоты f₃ и f₄ задают диапазон частот для поиска частоты f_R2, при которой имеет место максимум преобразования (2).where i is the number of the impulse response from 1 to N; $$S_{\mathrm{one}}^i\left(t\right)$$

- impulse response of the sensor; T ₁ - the duration of the pulse response (depends on the quality factor of the resonators used); the frequencies f ₁ and f ₂ set the frequency range for searching the frequency f _R1 at which the maximum of conversion (1) takes place; the frequencies f ₃ and f ₄ specify the frequency range for searching the frequency f _R2 at which the maximum of conversion (2) takes place.

В результате вычисления по (1) и (2) может быть получено N значений частоту f_R1 и f_R2, при которых имеет место максимум преобразований (1) и (2). За значения частот f_R1 и f_R2 выбираются те значения, для которых максимум преобразований (1) и (2) имеет максимальную величину.As a result of calculations according to (1) and (2), N values of frequency f _R1 and f _R2 can be obtained at which there is a maximum of transformations (1) and (2). For the values of the frequencies f _R1 and f _R2 , those values are selected for which the maximum of transformations (1) and (2) has a maximum value.

$$f_{R1}=Max\left\{f_{R1}^i\right\}$$

, $$f_{R\mathrm{one}}=Max\left\{f_{R\mathrm{one}}^i\right\}$$

,

$$f_{R2}=Max\left\{f_{R2}^i\right\}$$

. $${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="f\; R"\; filenames="00000008.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">f\; </figure-callout>}}_R=Max\left\{f_{R2}^i\right\}$$

.

Окончательно величина деформации ΔX определяется по разности частот Δf_R=f_R2-f_R1 и данным предварительной калибровки датчика:Finally, the strain ΔX is determined by the frequency difference Δf _R = f _R2 -f _R1 and the sensor pre-calibration data:

$$\Delta X=\Delta X_n+\frac{\Delta X_{n+1}-\Delta X_n}{\Delta f_{n+1}-\Delta f_n}\left[\Delta f_R-\Delta f_n\right],при\Delta f_n<\Delta f_R<\Delta f_{n+1},\left(3\right)$$

$$\Delta X=\Delta X_n+\frac{\Delta X_{n+\mathrm{one}}-\Delta X_n}{\Delta f_{n+\mathrm{one}}-\Delta f_n}\left[\Delta f_R-\Delta f_n\right],PR\mathrm{and}\Delta f_n<\Delta f_R<\Delta f_{n+\mathrm{one}},\left(3\right)$$

где Δf_n, Δf_n+1 и ΔХ_n, ΔX_n+1 - данные калибровки в виде набора разности частот резонаторов Δf_n и соответствующих им значений деформаций ΔХ_n. Калибровка проводится путем задания известных перемещений (например, с помощью прибора ППГ-3) и определения по описанному выше алгоритму соответствующих им разности частот Δf_R.where Δf _n , Δf _{n + 1} and ΔX _n , ΔX _{n + 1} are calibration data in the form of a set of the difference in the frequencies of the resonators Δf _n and the corresponding strain values ΔX _n . Calibration is carried out by setting known displacements (for example, using the PPG-3 device) and determining, according to the above-described algorithm, the corresponding frequency difference Δf _R.

На фиг.5 представлен пример графика калибровки датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, изготовленного для апробации предлагаемого изобретения.Figure 5 presents an example graph of the calibration of the sensor on the surface of the acoustic waves for passive wireless motion measurements made to test the present invention.

В результате испытаний опытного образца датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, изготовленного в соответствии с предлагаемым техническим решением, получены положительные результаты, подтверждающие высокую точность измерения перемещений. Так, при расстоянии между антенной датчика и антенной считывающего устройства, равном 5 метрам, получена погрешность определения перемещения 1 мкм при величине измеряемого перемещения от 50 мкм до 450 мкм. Точное значение перемещения определялось по прибору ППГ-3.As a result of testing a prototype of the sensor on surface acoustic waves for wireless passive displacement measurement, made in accordance with the proposed technical solution, we obtained positive results confirming the high accuracy of displacement measurement. So, with a distance between the sensor antenna and the reader antenna equal to 5 meters, an error in determining the displacement of 1 μm was obtained with a measured displacement of 50 μm to 450 μm. The exact value of the displacement was determined using the PPG-3 device.

Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:We believe that the proposed device has all the criteria of the invention, since:

- датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию "новизна";- a sensor on surface acoustic waves for passive wireless measurement of displacements together with the restrictive and distinctive features of the claims is new to well-known devices and, therefore, meets the criterion of "novelty";

- совокупность признаков формулы изобретения устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования датчиков перемещения, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";- the totality of the features of the claims of the device is not known at this level of technology and does not follow well-known rules for the construction of displacement sensors, which proves compliance with the criterion of "inventive step";

- конструктивная реализация датчика на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, поскольку изготовлена и прошла испытания, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".- the constructive implementation of the sensor on surface acoustic waves for wireless passive measurement of displacements does not present any structural, technical or technological difficulties, since it has been manufactured and tested, from which it meets the criterion of "industrial applicability".

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №3888115 от 10.07.1975 года, МПК G01b 7/16.1. US patent No. 3888115 of 07/10/1975, IPC G01b 7/16.

2. Патент РФ №2105993 С1 от 21.12.1992 года, МПК G01S 13/75.2. RF patent No. 2105993 C1 dated December 21, 1992, IPC G01S 13/75.

3. Патент США №3848144 от 12.11.1974 года, МПК H01v 7/00.3. US patent No. 3848144 of 12/12/1974, IPC H01v 7/00.

4. Патент США №7886607 В2 от 15.02.2011 года, МПК G01L 13/02.4. US patent No. 7886607 B2 of 02.15.2011, IPC G01L 13/02.

5. Патент США №7730772 В2 от 08.06.2010 года, МПК G01L 9/00.5. US patent No. 7730772 B2 dated 06/08/2010, IPC G01L 9/00.

6. Патент РФ №2401999 С1 от 20.10.2010 года, МПК G01L 1/16.6. RF patent No. 2401999 C1 of 10.20.2010, IPC G01L 1/16.

7. Патент США №5691698 от 25.11.1997, МПК С08В 13/14 - прототип.7. US patent No. 5691698 of 11.25.1997, IPC C08B 13/14 - prototype.

Claims (1)

Датчик на поверхностных акустических волнах для беспроводного пассивного измерения перемещений, содержащий считывающее устройство и устройство на ПАВ, при этом считывающее устройство состоит из приемопередатчика и антенны, а устройство на ПАВ содержит антенну и резонаторы на ПАВ, каждый из которых содержит встречно-штыревой преобразователь, который электрически связан с антенной устройства на ПАВ, и двух отражательных структур, отличающийся тем, что снабжен герметичным корпусом, включающим, в том числе, основание корпуса, две гибких мембраны, выполненных, например, из бериллиевой бронзы и жестко соединенных с элементом, передающим перемещение - металлическим штоком, причем две мембраны впаяны или вклеены в две крышки, а крышки впаяны или вклеены в основание корпуса, а шток имеет выступ, который контактирует с прокладкой, выполненной из твердого вещества, например лейкосапфира, причем прокладка приклеена к устройству на ПАВ в месте контакта с выступом штока, причем устройство на ПАВ прижимается к основанию корпуса креплением, и в месте крепления между основанием корпуса и устройством на ПАВ, а также между креплением и устройством на ПАВ помещены две тонкие фторопластовые пленки, кроме того, для идентификации датчика используется радиометка в виде линии задержки на ПАВ с отражательными структурами, электрически соединенная с антенной устройства на ПАВ через согласующие элементы, кроме того, электрическое соединение элементов датчика, расположенных внутри корпуса датчика, с антенной датчика осуществляется через два металлостеклянных изолятора, впаянных в крышку корпуса. A surface acoustic wave sensor for wireless passive displacement measurement, comprising a reader and a SAW device, wherein the reader consists of a transceiver and antenna, and the SAW device contains an antenna and SAW resonators, each of which contains an interdigital transducer, which electrically connected to the antenna of the device on the SAW, and two reflective structures, characterized in that it is equipped with a sealed housing, including, including the base of the housing, two flexible m membranes made, for example, of beryllium bronze and rigidly connected to the element transmitting movement — a metal rod, with two membranes soldered or glued to two covers, and the covers soldered or glued to the base of the body, and the rod has a protrusion that contacts the gasket, made of a solid substance, for example leucosapphire, and the gasket is glued to the device on the surfactant at the point of contact with the protrusion of the rod, and the device on the surfactant is pressed to the base of the housing by mounting, and in the place of attachment between the base of the housing and a device for a SAW, as well as between the mount and a device for a SAW, two thin fluoroplastic films are placed, in addition, a RFID tag in the form of a delay line for a SAW with reflective structures is used to identify the sensor, electrically connected to the antenna of the device for the SAW through matching elements, in addition , the electrical connection of the sensor elements located inside the sensor housing with the sensor antenna is carried out through two metal-glass insulators soldered into the housing cover.

Images