Laboratorum teledetekcji. Sensory akustyczne. ppłk dr inż. Mateusz Pasternak

Transkrypt

1 Laboratorum teledetekcji Sensory akustyczne ppłk dr inż. Mateusz Pasternak

2 czujnik (sensor) def. Czujnikiem akustycznym nazywa się układ fizyczny, w którym pod wpływem oddziaływań akustycznych ze strony obiektu badanego zachodzą zjawiska dające się wykorzystać jako źródła informacji o tym obiekcie Podstawowe parametry impedancja wyjściowa min. wartość impedancji obciążenia charakterystyka częstotliwościowa czułość min. odstęp poziomu sygnału od szumu zakres dynamiczny wrażliwość na pola zakłócające

3 minimalne długości fal -10 gazy 3,4 10 m -9 ciecze 1,5 10 m -9 ciała stałe 5 10 m -7 gazy 3,4 10 m -6 ciecze 1,5 10 m -6 ciała stałe 5 10 m -2 gazy 2 10 m ciecze 0,1 m ciała stałe 0,3 m gazy 20 m ciecze 100 m ciała stałe 300 m częstotliwość Debye a infradźwięki dźwięki ultradźwięki hiperdźwięki 1GHz 16 khz 16 Hz 0 Hz metody generacji i detekcji przetworniki piezoelektryczne, elektrostrykcyjne głośniki, piszczałki, lasery, przetworniki termiczne piezoelektryczne, elektrostrykcyjne mikrofony głośniki, układy mechaniczne mikrofony detonacje układy mechaniczne sejsmometry f max = v 3 3N 4πV N/V liczba atomów na jednostkę objętości Widmo dźwięku

4 Częstotliwości najniższe - sejsmometria metody pomiaru - mechaniczne - elektromechaniczne - optoelektroniczne - akustoelektroniczne

5 MIKROFONY detekcja częstotliwości słyszalnych (akustycznych) U p magnetoelektryczny i pojemnościowy elektretowy wy i i węglowy wartości orientacyjne czułość [mv/µbar] pasmo [khz] impedancja [MΩ] poziom zniekształceń równomierność charakterystyki węglowe ,2-3 0,001 wysoki mała pojemnościowe 0,5 10 0, b. Niski ± 3dB elektretowe 0,5 10 0, b. niski ± 3dB piezoelektryczne 0,2 2 > niski duża magnetoelektryczne 0,05 1 0, ,0001 niski do 20 db

6 Podstawowe rodzaje charakterystyk dookólna subkardioidalna kardioidalna superkardioidalna hiperkardioidalna dwukierunkowa kierunkowa Zależność charakterystyki od częstotliwości

7 Szyki detektorów

8 Przykłady zastosowań szyków detektorów Wykrywanie i rozpoznawanie pojazdów

9 Wykrywanie i rozpoznawanie samolotów

10 ULTRADŹWIĘKI Metody generacji i detekcji ultradźwięków nieodwracalne - termiczne - optyczne termopary odwracalne - elektrostatyczne pojemnościowe piezoelektryczne elektrostrykcyjne - elektromagnetyczne - magnetoelektryczne absorber - magnetyczne piezomagnetyczne magnetostrykcyjne z indukcją prądów wirowych korpus miedziany

11 PIEZOELEKTRYCZNOŚĆ F = 0 F 0 F 0 F = 0 F 0 F 0 Proste zjawisko piezoelektryczne F F Zachodzi też zjawiska odwrotne! F F

12 Wielkości opisujące piezoelektryk SiO 2 LiNbO 3 LiTaO 3 BaTiO 3 SrTiO 3 Pb(ZrTi)O 3 KNbO 3 KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O moduł piezoelektryczny d dla kwarcu d = 2, [C/N] dla PZT d = [C/N] ε = d E współczynnik sprzężenia elektromechanicznego k = E E uzyskana włożona dla kwarcu k = 0,01

13 Przykładowe sposoby drgań płytek piezoelektrycznych (Kazis) drgania grubościowe podłużne drgania wzdłużne b h b h a a,b h a a b,h drgania ścinające drgania radialne h b h a a,b h a

14 Czujniki wielkości mechanicznych u d dt v d dt a

15 Czujniki gazu

16 QCM

17

18 Stosunek koncentracji par w fazie stałej do koncentracji w fazie gazowej jest stały K = C C s v log H H H = + 2+ π 2 + α2 + β2 + K c rr s a b l log L 16

19 K=const wysokie stężenie cząstek w otoczeniu duża liczba cząstek wchłoniętych duża masa warstwy chemoczułej niższe stężenie cząstek w otoczeniu niższa liczba cząstek wchłoniętych niższa masa warstwy chemoczułej

20 OH P4V O n CF 3 CF 3 OH CF 3 CF 3 SXFA Si CF 3 CF 3 CF 3 CF CF3 3 CF 3 CH 3 O CF 3 O OH CF 3 n OH O FPOL O O Si O Si O CH 3 SXPH n CH 3 (CH ) 2 12 PVTD O O OH n F F n O F F F F F F PECH O F m CH CL 2 PIB O O O n CH CL 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 F ZDOL n n

21 Wzór Sauerbraya f = f 0 częstotliwość podstawowa nieobciążonego rezonatora, n numer owertonu, m - zmiana masy warstwy chemoczułej spowodowana sorpcją cząstek A - powierzchnia rezonatora ρ k - gęstość kwarcu µ k - moduł ścinania dla kwarcu. 2 nf 2 0 m A ρ µ k k poprawka Kanazawy f = f 2/3 0 ρη c k c πρ µ k ρ c gęstość cieczy η c lepkość cieczy

22 Ewolucja przetwornik fal objętościowych => przetwornik fal powierzchniowych (IDT) przetwornik IDT - międzypalczasty

23

24 Zasada działania czujnika gazu z AFP miernik częstotliwości warstwa chemoczuła AFP wykrywany gaz

25 Wzór Aulda v v h 4µ λ+µ v P v 2 2 R R = ρ vr + Y ρ 2 vr Z R 4 R R λ+ 2µ y= 0 Wzór mój h - grubość warstwy ρ - gęstość warstwy λ i µ stałe Lamé dla warstwy P R gęstość mocy fali Rayleigha, v R prędkość fali Rayleigha (składowa poprzeczna = 0). vɶ f 2 2 2ωτ xr 4ω τ xr 2ωτ xr i = = i+ 2ωτ 4ω τ + 1 4ω τ + 1

26 tor pomiarowy substancja chemoczuła AFP f wy tor odniesienia

27

28 Możliwa jest także detekcja zakażeń

29 Elektroniczne nosy

30 E-nos AFP 1 AFP 0 AFP 2 PE FDP UAiZD AFP N Warstwy chemoczułe reagują na obecność konkretnych gazów lub wielkości równania LSER cechy gazów

31 Zastosowanie chromatografii gazowej

32 Z-nos dozowanie zawór pułapka dozowanie zawór pułapka pompa He detektor z AFP pompa He detektor z AFP

33

34