Диссертация (Перенос заряда в электрохимическом акселерометре при изменении концентрации активного компонента на электродах), страница 13

4.6). Исследуемыйобразец (1) и опорный акселерометр ADXL103 (2) помещался навращающуюсявокруггоризонтальнойосиплатформу(3).Датчикиустанавливались таким образом, чтобы оси чувствительности (ОЧ) былиперпендикулярны оси вращения платформы (ОВ). Блок управления (5)шаговым двигателем (4) был запрограммирован таким образом, чтобыплатформа делала поворот на 10° каждые 40 мин. За это время датчиквыходил на стационарный режим работы.

Одновременно велась непрерывнаязапись сигнала с каждого электрода. Пример записи электродных токовприведен на Рис 4.7.100Рис. 4.6. Схема эксперимента.Рис.4.7. Записи электродных токов микроакселерометра (образец №2) и опорногоакселерометра ADXL103 при вращении платформы вокруг горизонтальной оси на 360°:синяя- катодный ток, красная- анодный ток, зеленая- сигнал акселерометра ADXL103выраженный в × 104 В.1014.3.1.

Учет влияния изменения температуры.Поскольку длительность каждого эксперимента составляла ~24 часа,стало необходимо учитывать изменение температуры в ходе эксперимента.Для этого была выполнена специальная электронная схема (Рис.

4.8), вкоторой с помощью диода LM285M-1.2 [88]на вход 2 операционногоусилителя TLE2064ID [89] через резистор RX4 (47 кОм) подавалосьстабилизированное напряжение 1.2 В (Out 7). С выхода 1 операционногоусилителяTLE2064IDснималосьнапряжениенатерморезистореRTX (47 кОм).Рис.4.8. Электронная схема для учета влияния изменения температуры.Представим электродный ток микроакселерометра и напряжение стерморезистора используя разложение в ряд Тейлора вблизи T0:I = I 0 (T ) + I s = I 0 (T0 ) +U = U 0 (T0 ) +∂UΔT ,∂T∂IΔT + I s ,∂T(4.3.1)(4.3.2)102где I0- фоновый электродный ток в горизонтальном положении, T0температура в начальный момент времени, Is- сигнальный электродный ток,U0- напряжение на терморезисторе в начальный момент времени притемпературе T0.Выразим ΔT из (4.3.2) и подставим в (4.3.1):I = I 0 (T0 ) − U 0∂I ∂T∂I ∂T+U+ Is∂U ∂T∂U ∂T(4.3.3)Таким образом, электродный ток с учетом изменения температурыможно представить следующим образом:I − I 0 (T0 ) = (U − U 0 ) K + I s ,где K =(4.3.4)∂I ∂T∂I=.∂U ∂T ∂UКоэффициент К находим, зная на сколько изменился электродный токпри повороте на 180° из начального горизонтального положения и на сколькоизменилось напряжение на терморезисторе.На Рис.

4.9 приведена запись с терморезистора RTX. На Рис. 4.10приведена запись анодного тока образца №2 и ее коррекция с учетомизменения температуры.Рис. 4.9. Запись напряжения с терморезистора.103Рис. 4.10. Учет изменения температуры в ходе эксперимента: синяя – запись анодноготока, красная – запись анодного тока с учетом изменения температуры.4.3.2. Обсуждение экспериментальных результатов.На Рис.4.11-4.13 приведены зависимости установившихся электродныхтоковотдействующеговнешнегоускорениядлятрехобразцовмикроакселерометров в каждом положении.При увеличении внешнего ускорения до g, токи образца №1 приходят врежим насыщения. По всей видимости, при больших сигналах падениепотенциала в объеме электролита становится настолько велико, чтоэлектрохимическая ячейка выходит из режима предельного тока, перестаетвыполнятьсяусловиеравенстванулюконцентрациинакатодахипостроенная модель выходит за пределы своей применимости.В ходе проведенных экспериментов выявлена закономерность, что суменьшением анод-катодного расстояния наблюдаемый минимум анодноготока смещается в сторону увеличения действующего ускорения.

Так,минимум для образца №2 наблюдается при ускорении 0.3 g, для образца №1–при ускорении 0.5 g, для образца №3 минимума не наблюдается, чтовероятно связано с недостаточно большим ускорением.1040,000350,00030,00025I, А0,00020,000150,00010,000050-1,5-1-0,500,511,5gРис. 4.11. Экспериментальные зависимости электродных токов образца №1 отдействующегопостоянногоускорения.Краснаякривая–анодныйток,синяя-катодный ток.0,000140,000120,0001I, A0,000080,000060,000040,000020-1,5-1-0,500,511,5gРис. 4.12. Экспериментальные зависимости электродных токов образца №2 отдействующегопостоянногоускорения.Краснаякривая–анодныйток,синяя-катодный ток.1050,0002160,0002150,0002140,0002130,000212I, A0,0002110,000210,0002090,0002080,0002070,0002060,000205-1,5-1-0,500,511,5gРис.

4.13. Экспериментальные зависимости электродных токов образца №3 отдействующегопостоянногоускорения.Краснаякривая–анодныйток,синяя-катодный ток.Был проведен анализ полученных выражений для электродных токов исравнение с экспериментальными результатами. Из разложений (4.2.304.2.33) при V=0 получаем, что электродные токи обратно пропорциональныRϕ 0 . Для экспериментальных образцов значения электродных токов при V=0следующие: образец №1 – 190 мкА, образец №2- 29 мкА, образец №3209 мкА.

Нормировав электродные токи (4.2.30-4.2.33) на их величины приV=0, получим, что крутизна преобразования (коэффициент при V) прямопропорционален межэлектродному расстоянию Rϕ 0 . Для экспериментальныхзависимостей нормированные значения коэффициента пропорциональноститакже имеют пропорциональную межэлектродному расстоянию зависимость:образец №1- катодный ток- 1.7 g-1, анодный ток- -1.03 g-1; образец №2катодный ток- 4.3 g-1, анодный ток- -2.5 g-1; образец №3- катодный ток0.028 g-1, анодный ток- -0.03 g-1.

В абсолютных величинах наибольшаякрутизна преобразования катодного тока у образца №1 – 330 мкА/g (102мкА/g – для образца №2, 6,3 мкА/g – для образца №3).106Поскольку электродные токи (4.2.30-4.2.33) и (4.2.37-4.2.40) зависят отсопротивления Ra и отношения Rc/Ra, то в рамках численного решения былипостроены зависимости электродных токов для значений сопротивленияRa=1 Ом и Ra=10 Ом (Рис. 4.14). Полученные результаты показывают, что суменьшением сопротивления Ra, соответствующее уменьшению анодкатодного расстояния, минимум анодного тока смещается в сторонуувеличения скорости жидкости.Рис.

4.14. Зависимости электродных токов от значения скорости: красные кривые –анодные ток, синие – катодные. По оси X отложена безразмерная величина VRϕ 0 D .Изпредставленныхвышетеоретическихиэкспериментальныхрезультатов можно заключить, что АЧХ электродных токов имеет смыслрассматривать в области малых внешних воздействий, где наблюдаетсялинейная зависимость токов от внешнего ускорения. Так для образцов №1 и№2 этот диапазон составляет ±0.1g. Для образца №3 линейная зависимость107наблюдается во всем диапазоне ±g (Рис. 4.13). Проведенные экспериментыпоказали, что для образца №3 АЧХ анодного и катодного токов совпадаютна низких частотах (Рис.

4.15), что соответствует результатам второй главы.Рис. 4.15. АЧХ электродных токов образца №3 микроакселерометра, полученные методомповорота. Синяя- АЧХ катодного тока, красная- АЧХ анодного тока.Также были экспериментально получены АЧХ разностных катодныхтоков трех образцов микроакселерометров как методом поворота, так и накалибровочном стенде (Рис. 4.16), из которых можно сделать вывод, что уобразца №1 чувствительность к постоянному линейному ускорению выше(0.13 В/м/с2), чем у образцов №2 (0.045 В/м/с2) и №3 (0.0025 В/м/с2).108Рис. 4.16. АЧХ образцов микроакселеровметров: синяя– образец №1, красная- образец№2, зеленая/серая- образец №3.4.4.

Обобщение результатов и заключение.Полученные в данной главе теоретические и экспериментальныерезультаты хорошо качественно и количественно согласуются между собой ирезультатами других глав. А также подтверждают теорию о том, что дляполного и адекватного описания работы измерителей параметров движения,основанных молекулярно-электронном переносе необходимо учитыватьмногие параметры системы и процессы переноса.Экспериментальные данные позволяют сделать вывод о наилучшейконфигурации электродного узла.

Поскольку выходным током датчикаявляетсяразностныйкатодныйток,тоточкизрениякрутизныпреобразования, наилучшей конфигурацией электродного узла является узелобразца №1, поскольку в диапазоне сигнала ±g катодные токи имеютнаибольшийкоэффициентпреобразованияилинейнуюзависимостьпрактически во всем измеренном диапазоне. Также образец №1 имеетнаиболеевысокуючувствительностькпостоянномуускорению.109Заключение.Основные результаты, полученные в диссертации, могут бытьсформулированы следующим образом:1) Экспериментально обнаружена возрастающая от нуля до π разностьфаз анодного и катодного тока четырехэлектродного преобразующегомеханические движения в электрический ток узла электрохимическогоакселерометра с ростом частоты внешнего воздействия от 0,01 Гц до 80 Гц.Также обнаружен рост отношения аплитудо-частотной характеристикикатодного тока к аплитудо-частотной характеристике анодного тока от 1 дозначения порядка 20 с ростом частоты в том же диапазоне.2) Показано, что различное поведение анодного и катодного токовобъясняется изменением концентрации активных ионов на анодах при еенеизменном значении на катодах.

Получены аналитические выражения дляэлектродных токов в рамках этой модели.3) Сформулированы граничные условия, учитывающие кинетикуреакций на границе электрод-электролит и приводящие к зависимостиконцентрации активных ионов на анодах от распределения потенциала впреобразующем электродном узле. В рамках модели переноса заряда впреобразующем элементе электрохимического акселерометра, основанной науравнении конвективной диффузии со сформулированными граничнымиусловиями и с учетом конечной электропроводности раствора полученыаналитические выражения для анодных и катодных токов в случаестационарного течения жидкости.