Xreferat.com » Рефераты по науке и технике » Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

Адрес 27 – 34 D7 – D0 Шина данных 37 - 40, 1 - 4 РА7 – РА0 Канал А 5 RD Чтение 6 CS Выбор микросхемы 7 GND Общий 10 - 13, 17, 16, 15, 14 PC7—PCO Канал С 18 - 25 PB0 - PB7 Канал В 26 Ucc +5В 35 RESET Установка 36 WR Запись

Таблица 3 Назначение выводов микросхемы КР580ВВ55А

Данные микросхемы подключались к микроЭВМ и позволяли увеличить количество портов ввода/вывода до необходимого количества.

Конечная схема подключения представлена на рис 9.


Рисунок 11 Схема подключение частотомера Ч3-53 к персональной ЭВМ
Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

Разработка программного обеспечения устройства сопряжения

В задачи программного обеспечения, для устройства сопряжения входит:

Получение от частотомера сигнала очередного замера информации с датчика;

По пришествии этого сигнала последовательно считать информацию о каждой цифре выходного сигнала;

Отметить время прихода сигнала (точнее, время, прошедшее со времени предыдущего прихода сигнала);

Инициализировать порт последовательной передачи информации;

Преобразовать данные в последовательный код;

Переслать последовательный код на ЭВМ;

Получить и обработать данные на ЭВМ, представив их в удобном для прочтения виде.

Первые шесть задач решаются непосредственно ОМЭВМ на уровне языка Ассемблер, седьмая задача решается при помощи языка высокого уровня на ЭВМ.

Перед тем, как использовать устройство сопряжения по назначению, необходимо провести инициализацию необходимых аппаратных ресурсов:

Источника прерываний INT0;

Установка необходимого времени отсчета Т0;

Установка необходимой величины пересчета Т1;

Программирование альтернативных функций порта ввода/вывода Р3 ОМЭВМ;

Установка необходимых режимов работы таймеров Т0 и Т1 и последовательного порта ввода/вывода.

Блок-схема программы устройства сопряжения представлена на рис 12.

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах



Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах Рисунок 12 Блок-схема программы устройства сопряжения

Текст программы на языке Ассемблер представлен ниже

0000    0200F7            LJMP   00F7

0003    020200            LJMP   0200

0006    00        NOP

0022    00        NOP

0023    020300            LJMP   0300

0026    00        NOP

00F6    00        NOP

00F7    D2B0   SETB   RXD

00F9    D2B1   SETB   TXD

00FB   D2B2   SETB   INT0

00FD   D2B6   SETB   WR

00FF    D2B7   SETB   RD

0100    758921            MOV   TMOD,#21

0103    758B00            MOV   TL1,#00

0106    758DF4           MOV   TH1,#F4

0109    D28E   SETB   TR1

010B    D2AF  SETB   EA

010D   758C3C           MOV   TH0,#3C

0110    758AB0           MOV   TL0,#B0

0113    7582000          MOV   DPL,#00

0116    7A00   MOV   R2,#00

0118    D28C   SETB   TR0

011A   D2A8   SETB   EX0

011C   108D02           JBC     TF0,0121

011F    80FB   SJMP   011C

0121    0A       INC     R2

0122    758C3C           MOV   TH0,#3C

0125    758AB0           MOV   TL0,#B0

0128    80F2    SJMP   011C

012A   00        NOP

01FF    00        NOP

0200    75F002            MOV   B,#02

0203    EA       MOV   A,R2

0204    84        DIV     AB

0205    F5F0    MOV   B,A

0207    7A00   MOV   R2,#00

0209    7805    MOV   R0,#05

020B    7904    MOV   R1,#04

020D   C299   CLR     TI

020F    85F099            MOV   SBUF,B

0212    D2AC  SETB   ES

0214    32        RETI

0215    00        NOP

02FF    00        NOP

0300    C2AC  CLR     ES

0302    C299   CLR     TI

0304    8983    MOV   DPH,R1

0306    E0        MOVX            A,@DPTR

0307    F599    MOV   SBUF,A

0309    09        INC     R1

030A   B90701            CJNE   R1,#07,030E

030D   09        INC     R1

030E    D801   DJNZ   R0,0311

0310    32        RETI

0311    D2AC  SETB   ES

0313    32        RETI

0314    00        NOP

Математическое моделирование

Задачей математического моделирования является получение теоретических зависимостей выходной величины датчика (изменение частоты поверхностно-акустической волны) от входной величины (изменение концентрации необходимого газа) и получение изменения выходной величины в динамике (зависимость частоты от времени при скачкообразном изменении концентрации).

Изменение резонансной частоты, обусловленное наличием покрытия на поверхности распространения поверхностно-акустической волны, описывается следующим соотношением [2]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах,

где Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - сдвиг резонансной частоты за счет изменения чувствительным покрытием скорости поверхностно-акустической волны,

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах и  характеристики пьезоэлектрического материала,

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - начальная резонансная частота,

h - толщина чувствительного покрытия,

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - его плотность.

Не трудно заметить, что произведение Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - представляет собой массу покрытия на единицу площади.

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где m – масса покрытия;

s – площадь покрытия.

Таким образом, изменение частоты поверхностно-акустической волны зависит в первую очередь от двух факторов - массы единицы площади пленки и механических свойств пьезоэлектрической подложки.

Скорость изменения величины адсорбции со временем описывается следующим уравнением [21]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где a – содержание адсорбируемого вещества – масса адсорбируемого вещества к единице объема адсорбента Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах;

by – коэффициент массоотдачи;

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - концентрации адсорбируемого вещества в парогазовой смеси инертного газа (входной параметр) .

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - концентрация адсорбируемого вещества в парогазовой смеси, равновесная поглощенному единицей объема количеству вещества Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах. Определяется по изотерме адсорбции.

Коэффициент массоотдачи определяется по следующему уравнению[21]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где Nu – диффузионный критерий Нуссельта;

d – средний размер частиц адсорбентаРазработка сенсора на поверхностно-акустических волнах;

D – коэффициент диффузии вещества в газеРазработка сенсора на поверхностно-акустических волнах.

Значение диффузионного критерия Нуссельта для ориентировочных расчетов коэффициента массоотдачи определяется по критериальному уравнению [20]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где Re – критерий Рейнольдса.

Для определения критерия Рейнольдса воспользуемся следующей формулой [20]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где w – скорость потока на свободном сечении Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах;

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - кинематический коэффициент вязкости.

Кинематический коэффициент вязкости можно определить, пользуясь следующим соотношением [20]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - динамический коэффициент вязкости газа ;

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - плотность газа .

Для определения Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах - концентрации адсорбируемого вещества в парогазовой смеси, равновесной поглощенному единицей объема количеству вещества воспользуемся изотермой адсорбции. Ввиду отсутствия необходимых табличных данных, описывающих как чувствительное полимерное покрытие, а как следствие, и отсутствие какого либо конкретного определяемого компонента, данная математическая модель ставит себе целью получение качественных характеристик описываемого ПАВ сенсора. Таким образом, за искомую изотерму адсорбции принимаем изотерму адсорбции бензола [20]. График данной изотермы приведен ниже.

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах
В качестве определяемого компонента воздушной смеси принят аммиак.

Зависимость концентрации от парциального давления компонента выражается следующей формулой [20];

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

где p – парциальное давление компонента в газовой смеси;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура.

Подставляя числовые значения всех вышеперечисленных переменных в уравнение скорости адсорбции, а величину адсорбции в уравнение изменения частоты поверхностно-акустической волны и добавив к этому начальные и граничные условия получаем искомые зависимости величины адсорбции от времени и изменение частоты от времени.

Как видно из приведенных ниже графиков, время реакции сенсора на скачкообразное изменение концентрации определяемого компонента составляет порядка 10-5 сек.

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах


Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

            Таким образом, в будущих исследованиях инерционностью процессов, происходящих в самом датчике можно пренебречь. А основное время процесса будет состоять из времени определения частоты поверхностно-акустической волны, времени подвода газа необходимой концентрации и пр. Таким образом, получаем еще одно подтверждение необходимости дальнейшего повышения автоматизации измерительной установки.

Для математического получения градуировочной характеристики ПАВ датчика воспользуемся уравнением [20]:

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

И подставив полученное тем самым значение величины адсорбции в уравнение зависимости изменения частоты поверхностно-акустической волны, получим градуировочный график.

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах

Как видно из этого графика, зависимость изменения частоты поверхностно-акустической волны от концентрации – величина линейная. Таким образом получаем еще одно подтверждение перспективности использования поверхностно-акустических датчиков в качестве газовых сенсоров низких концентраций.

Экспериментальные результаты

Для оценки точности показаний ПАВ сенсора возникает необходимость оценить влияние различных параметров на частоту. В ходе работы был проведен ряд экспериментов по выявлению такого влияния.

В ходе работы была проведена серия экспериментов по определению стабильности частоты ПАВ преобразователей. Для этого они закреплялись в экспериментальную ячейку, конструкция которой описана в выше. Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. Измерения частоты производились непрерывно в течение двух с половиной часов.

В течение времени измерений, данные об изменении частоты фиксировались каждые пять минут. Характерный ход зависимости частоты поверхностно-акустической волны от времени представлен на рис. 17. Как видно из данной зависимости, частота ПАВ преобразователя первоначально имеет тенденцию увеличиваться. Увеличение частоты поверхностно-акустической волны за первые 20-30 минут наблюдений составило порядка 2 – 2.5 кГц. По прошествии этого времени частота колеблется в гораздо более низких пределах. Изменения частоты в это время происходят в пределах нескольких десятков герц. Небольшой рост частоты объясняется нагревом кристалла кварца нагревающимся в процессе эксперимента ВЧ усилителем Ч3-63. Разные значения установившихся частот поверхностно-акустической волны объясняются различной температурой в помещении.

Таким образом, было выяснено, что для проведения исследования необходимо предварительно провести прогон измерительной системы в течение 20-30 минут. Также было выяснено, что с увеличением температуры частота также имеет тенденцию увеличиваться.

Разработка сенсора на поверхностно-акустических волнах
Также в ходе работы была проведена серия экспериментов, целью которых было выяснение влияния давления на частоту ПАВ сенсора. Методика эксперимента заключалась в следующем. После предварительной прогонки ячейки на холостом ходу, как было указано выше, ее ступенчато откачивали на вакуум. Величина вакуума в ячейке фиксировалась при помощи вакуумметра. После чего показания частоты фиксировались каждые 10 секунд. По прошествии 120 секунд после окончании переходных процессов значения частоты устанавливались на определенном

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: