Laboratorum teledetekcji. Sensory akustyczne. płk dr hab. inż. Mateusz Pasternak

Transkrypt

1 Laboratorum teledetekcji Sensory akustyczne płk dr hab. inż. Mateusz Pasternak

2 najprostsze źródła dźwięku

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 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 czułość liniowość impedancja wyjściowa charakterystyka częstotliwościowa charakterystyka kierunowa min. odstęp poziomu sygnału od szumu zakres dynamiczny wrażliwość na pola zakłócające

5 Częstotliwości najniższe - sejsmometria S metody pomiaru - mechaniczne - elektromechaniczne - optoelektroniczne - akustoelektroniczne N

6 Profilowanie infradźwiękowe

7 MIKROFONY detekcja częstotliwości słyszalnych (akustycznych) magnetoelektryczny pojemnościowy elektretowy węglowy wartości orientacyjne czułość [mv/µbar] pasmo [khz] impedancja [MΩ] poziom zniekształceń węglowe ,2-3 0,001 wysoki pojemnościowe 0,5 10 0, b. niski elektretowe 0,5 10 0, b. niski piezoelektryczne 0,2 2 > niski magnetoelektryczne 0,05 1 0, ,0001 niski

8 Podstawowe rodzaje charakterystyk izotropowa subkardioidalna kardioidalna superkardioidalna hiperkardioidalna dwukierunkowa kierunkowa Zależność charakterystyki od częstotliwości

9 Szyki detektorów

10

11 Przykłady zastosowań szyków detektorów Wykrywanie i rozpoznawanie pojazdów Detekcja snajperów

12 Wykrywanie i rozpoznawanie obiektów latających

13 Metody generacji i detekcji nieodwracalne - termiczne - optyczne odwracalne - elektrostatyczne pojemnościowe piezoelektryczne elektrostrykcyjne - elektromagnetyczne - magnetoelektryczne - magnetyczne piezomagnetyczne magnetostrykcyjne z indukcją prądów wirowych

14 PIEZOELEKTRYCZNOŚĆ F = 0 F 0 F 0 F = 0 Proste zjawisko piezoelektryczne F 0 F 0 Zachodzi też zjawisko odwrotne!

15 Piezoelektryki SiO 2 LiNbO 3 LiTaO 3 BaTiO 3 SrTiO 3 KNbO 3 KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O Pb(ZrTi)O 3 czyli PZT Deformacje są proporcjonalne do natężenia pola elektrycznego moduł piezoelektryczny d S = d E Przykładowe wartości modułu piezoelektrycznego dla kwarcu d 2, [C/N] dla PZT d ~ [C/N] słaby piezoelektryk silny piezoelektryk

16 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

17 Czujniki wielkości mechanicznych u d dt v d dt a

18 Czujniki gazu

19 QCM

20

21 Wzór Sauerbraya f = 2nf 2 0 m A ρ µ k k 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.

22 Stosunek koncentracji par w fazie stałej do koncentracji w fazie gazowej jest stały 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

23 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

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

25

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

27 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 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).

28 tor pomiarowy substancja chemoczuła AFP f wy tor odniesienia

29

30 Możliwa jest także detekcja zakażeń

31 Elektroniczne nosy

32 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

33 Zastosowanie chromatografii gazowej

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

35

36