Диссертация (Перенос заряда в электрохимическом акселерометре при изменении концентрации активного компонента на электродах), страница 11

В ходе эксперимента были полученызависимости величин гармонических нелинейных искажений в спектресигналов исследуемого акселерометра и прецизионных дифференциальныхиндуктивных датчиков смещения, используемых в структуре калибровочного82стенда в качестве референсных датчиков (см. гл. 2), от амплитудывоздействия. Результаты измерений представлены на Рис.3.12.0,70,6КНИ,%0,50,4КалибраторДатчик0,30,20,10012345a, м/с/сРис.3.12. Зависимости нелинейных искажений сигнала калибровочного стенда и сигналаисследуемого акселерометра (образец №1) от величины внешнего ускорения.Эксперимент показал, что уровень нелинейных искажений приборовдостаточно низок.

Относительная величина паразитных гармоник в сигналелинейного акселерометра не превышает 0,5% при ускорениях до 3 м/сек2.При этом нелинейность задаваемого внешнего сигнала не превосходит 0,2%,а во всем исследуемом диапазоне амплитуд возрастает от ~0.05 до ~0,5% ,что значительно превосходит величины нелинейных искажений подаваемогона динамики электрического сигнала. При росте амплитуды внешнеговоздействия от 3 м/с2 значительно возрастает нелинейность внешнегосигнала, т.е.

колебания калибратора становятся не гармоническими, и, какследствие, растут и нелинейные искажения сигнала акселерометра.,833.5. Обобщение результатов и заключение.Приведем основные результаты исследований, проведенных в даннойглаве.1)Предложена структура электрохимического акселерометра синерциальноймассойсоздаваемойэлектрохимическимиметодами,способного измерять постоянное линейное ускорение.2)Проведены эксперименты, в ходе которых получены величинысобственных шумов МЭП линейных ускорений, подсчитана величинанестабильности нулевого смещения, а также коэффициент нелинейныхискажений в выходном сигнале.В качестве сравнения приведём значения нулевого смещения для MEMSакселерометров и значение собственного шума, которые позиционируютсякомпаниями-производителями как высокоточные измерители параметровдвижения для использования их в IMU’s (Inertial Measurement Units):АкселерометрЭлектрохимическийакселерометрA40 Accel (GladiatorTechnologies, USA)QA-3000 (HoneywellInternational, USA)AK-6 (ОАО«Серпуховский завод«Металлист», Россия)35 µg/√ГцНестабильностьнулевого смещения2,5 µg65 µg/√Гц45 µgСобственный шум10 µg/√Гц-30 µgТабл.1.

Сравнение шумовых характеристик электрохимического акселерометра саналогами.Анализ приведенных результатов и характеристик приборов, выбранныхдля сравненияпроизводителейпоказывает, что электрохимическиеизмерители линейных ускорений в исследуемой частотной полосе (0–100 Гц)опережают лучшие из микромеханических аналогов и успешно конкурируют84с другими типами измерителей по таким характеристикам как уровеньсобственныхшумов,стабильностьнулевогосмещенияиуровеньгармонических искажений. Таким образом, представленные в настоящейглаве данные свидетельствуют о том, что приемлемой для широкого классапримененийточностиопределениянавигационныхпараметровсиспользованием недорогих технических средств можно будет достичь,используяновыеинерциальноготипынедорогихдвижения,основанныхмалогабаритныхнапринципахизмерителеймолекулярнойэлектроники.85Глава 4. Влияние проводимости электролита на граничные условия наэлектродах в чувствительном элементе электрохимическогоакселерометра.4.1.

Введение.Для исследования процессов переноса в чувствительном элементепреобразователяжидкостноготипа,врамкахизмеренияАЧХмикроакселерометра на сверхнизких частотах методом поворота (гл. 3.2)были также получены записи электродных токов чувствительного элемента.Используемая электронная схема подключения датчика была аналогичнаясхеме, представленной на Рис. 2.2 (Раздел 2.3), с резисторами R номиналом4.3 кОм. Записи электродных токов представлены на Рис. 4.1.Рис. 4.1. Записи электродных токов при изменении проекции ускорения свободногопадения вдоль оси чувствительности электрохимического акселерометра: синяя и серая –соответственно анодный и катодный токи верхней электродной пары, красная и зеленая соответственно анодный и катодный токи нижней электродной пары.86Выявлено,чтопослеповоротаакселерометраввертикальноеположение и установления стационарного состояния, «легкая» жидкость,−необогащенная ионами I 3 , в межкатодном объеме двигается вверх, резкоуменьшая тем самым катодный ток верхней электродной пары и увеличиваяанодный.

Т.к. «легкий» электролит начинает двигаться вверх после поворотасенсора, нижний объем электродного узла начинает заполняться «тяжелым»электролитом из внешнего объема, тем самым увеличивая ток нижнегокатода. Ток нижнего анода увеличился, что свидетельствует о увеличенииконцентрации ионов активного электролита около нижнего анода.Как упоминалось выше, одной из первых теоретических моделейописывающих принцип действия диффузионных преобразователей являетсяодномерная модель Ларкама [6, 8]. В дальнейших теоретических работах [10,11, 15, 34, 41, 42] моделировались различные трехмерные конфигурацииэлектрохимической ячейки, что позволило достаточно подробно описатьмеханизмы и основные особенности преобразования сигнала в различныхчастотных диапазонах, в том числе и стационарном случае.Результаты этих работ дают одинаковые выражения, как для анодных,так и для катодных токов, в то время как в приведенных на Рис.

4.1. записяхпод действием постоянного ускорения токи отличаются.В связи с вышеизложенным стало понятно, что при построениитеоретических моделей необходимо не только последовательно учитыватьгеометриюпреобразующейячейки,ноирассматриватьпроцессыпроисходящие на границе электрод-электролит, проводимость раствора,потоки всех видов ионов, представленных в растворе.Для теоретического описания подобного ЭП была предложена ирассмотрена одномерная модель 4-х электродного узла, учитывающаяпроводимость электролита в объеме и процессы на границе электродэлектролит.874.2.

Теоретическая модель.При погружении металлического электрода в раствор электролитамежду металлом и раствором возникает двойной электрический слой (д.э.с) ипоявляется разность потенциалов между электродом и д.э.с. [1,7]. Взависимости от расположения ионов в д.э.с. различают плотный идиффузионный двойные электрически слои и соответственно два скачкапотенциала на границе металл- раствор. Плотный д.э.с. образован ионами израствора, плотно притянутыми к поверхности металла электростатическимисилами и силами специфической адсорбции (Рис. 4.2). Эти ионырасположены на расстоянии d сольватированного иона от поверхностиэлектрода.Рис. 4.2.

Изменение потенциала с расстоянием от поверхности электрода (а);строение д.э.с. (б).Диффузионный д.э.с. образован ионами, которые расположены врастворе на некотором расстоянии от поверхности электрода, котороебольше радиуса иона. Такое расположение ионов получается под влияниемдвухпротивоположныхфакторов;электростатическихсил,которыестремятся притянуть ионы плотно к поверхности электрода, и теплового88движения, которое стремиться расположить ионы хаотически в растворе.

Врезультате ионы, входящие в состав диффузионного д.э.с., располагаются нанекотором расстоянии от поверхности электрода с избыточной плотностьюзарядов, которая постепенно убывает до нуля по мере удаления отповерхности металла. Фактически избыточная плотность зарядов становитсяпренебрежимо мала на расстоянии нескольких десятков атомных диаметровот поверхности электрода.Если общий скачок потенциала равен Е, то скачок потенциала вплотном д.э.с.

равен E-ψ1, где ψ1- диффузный потенциал.С увеличением концентрации электролита в растворе д.э.с. на границеметалл-раствор сжимается, ионы приближаются к поверхности электрода ибольшая их часть из диффузионного д.э.с. переходит в плотный д.э.с. Приэтом диффузный ψ1-потенциал уменьшается, а скачок потенциала в плотномд.э.с. увеличивается. Таким образом получаем, что величина концентрацииэлектролита вблизи электрода влияет на скачок потенциала в плотном д.э.с.Согласно (1.1.3), ток через электрод зависит от распределенияконцентрациивблизи электрода. Поскольку анодные и катодные токи встационарном состоянии при протекании постоянного потока жидкости черезпреобразователь отличаются, сделаем предположение, что отличаютсядиффузные потенциалы, а следовательно и концентрации активных ионов вблизи электродов.Поскольку на практике в ЭП используется высоконцентрированныйраствор йодида калия КI (фоновый электролит) и йода I2, то основноепадение потенциала происходит в плотных д.э.с.

электродов. С другойстороны, при избытке индифферентного электролита уменьшается числопереноса иона- участника электродной реакции и, следовательно, переносэлектричествавнутрираствораподвлияниемэлектрическогополяосуществляется, в основном, за счет ионов индифферентного электролита.89Рис. 4.3. Модель электродного узла, учитывающая конечную электропроводностьэлектролита. Ra, Rc- анод-катодное и катод-катодное сопротивление электролита; φа1, φа2потенциалыэлектролитавблизиповерхностианодовнарасстояниидвойногоэлектрического слоя; I a1 , I a 2 , I c1 , I c 2 - токи, текущие через электроды.С учетом вышесказанного и того, что величина д.э.с. много меньшерасстояния между электродами, для токов, текущих в межэлектродныхобъемах чувствительного элемента (Рис.