Автореферат (1104410), страница 3
Текст из файла (страница 3)
а=120 мкм, D=10-9 м2/с, V=0.1 мм/с,S=0.25 см2, C0=0.01 моль/л, и значениях A/B=-2.5, С’0A=0.1C0.9Рис. 5. АЧХ анодного (красная кривая) и катодного (синяя кривая) токов пространственноограниченного преобразующего узла.Предложенная модель частично объясняет различное поведение сигнальных токованода и катода с ростом частоты. Основным результатом, полученным в этой главе, являетсядоказательство того, что именно изменение граничных условий, по сравнению с модельюЛаркама, на электродах позволяют получить теоретические результаты, по крайней мере,частично совпадающие с экспериментальными данными. В то же самое время, описаннаявыше модификация граничных условий пока является чисто формальной математическойоперацией и не дает ответа на вопрос, какие именно физические процессы влияют наанодную концентрацию.В третьей главе предложена конструкция электрохимического преобразователя синерциальной массой создаваемой электрохимическими методами, способного измерятьпостоянное линейное ускорение.
Измерены его выходные характеристики– амплитудночастотные зависимости, собственные шумы, построена функция Алана и определенанестабильность нулевого смещения в единицах измеряемого сигнала. Проведено сравнениеполученных характеристик с параметрами акселерометров ведущих производителей.Конструкция предложенного акселерометра, работающего на основе молекулярноэлектронного переноса, представлена на Рис.
6. Принцип работы состоит в том, что поддействием разности потенциалов в преобразующем 4-хэлектродном узле на катодах(внутренние электроды в ячейке) идет процесс восстановления йода I 3− + 2e → 3I − , а наанодах (внешние электроды) процесс окисления йода 3 I − − 2e → I 3− . Таким образом,устанавливается разность концентраций активного компонента внутри узла и вне его, а,следовательно, и разность плотностей между электролитом, находящимся в торе («тяжелая»жидкость) и в преобразующем канале («легкая» жидкость).
Под действием внешнегоускорения, направленного вдоль оси преобразующего канала, более тяжелая жидкостьсмещается в направлении, противоположном действующему ускорению, более легкая – вобратном направлении. В результате возникает поток жидкости через преобразующийэлемент и соответствующий сигнальный ток. Нетрудно заметить, что в данной конструкциипоток жидкости через преобразующие ячейки возникает, в том числе, и при постояннодействующем ускорении, что обеспечивает сохранение высокой чувствительности данногоакселерометра вплоть до 0 Гц.10Рис.6.
Структурная схема линейного электрохимического акселерометра: 1- керамическийкорпус; 2- рабочий объем, 3- расширительный объем, 4- электролит; 5- электродный узел.Выходным сигналом приборов на основе молекулярно-электронного переноса являетсяразностный катодный ток. Это позволяет убрать постоянное смещение и обеспечитьлинейность отклика в широком диапазоне сигналов.Был изготовлен опытный образец №1 представленного акселерометра со следующимигеометрическими параметрами: внутренние каналы имеют квадратное сечение со стороной2 мм, внутренний диаметр тора- 6 мм, внешний- 10 мм, межкатодное расстояние- 3 мм, анодкатодное- 0.05 мм.
Объем был заполнен высоконцентрированным раствором йодида калия КI4 моль/л и I2 с концентрацией 0.03 моль/л.На Рис. 7 представлена амплитудно-частотная характеристика электрохимическогоакселерометра в диапазоне 0.04-32 Гц, измеренная на специальном калибровочном стенде. Вполосе от 0,08 Гц до 1 Гц наблюдается зависимость от частоты ~ 1 ω 0.5 , а в полосе от 2 Гц до20 Гц зависимость ~ 1 ω .Рис.7.АЧХ электрохимического акселерометра №1.Для измерения собственных шумов датчик с помощью специальной электроннойсхемы был настроен таким образом, чтобы выходная АЧХ была плоской по измеряемомуускорению в диапазоне от 0 до 40 Гц. Исследуемый сенсор закреплялся в строгогоризонтальном положении (относительно g), внутри массивного теплоизолированногометаллического корпуса (колебания температуры составляли доли градуса), в помещении снизким уровнем фонового шума.11Для анализа выбирался участок записи, на котором уже завершились все переходныепроцессы, связанные с установлением фоновых токов после подачи питания и равномерногораспределения температуры внутри корпуса.
На Рис. 8 представлена спектральная плотностьмощности собственных шумов исследуемого акселерометра, которая в диапазоне от 2 Гц до40 Гц составила ~35 µg/√Гц.Рис. 8. Спектральная плотность мощности электрохимического акселерометра №1 (в дБотносительно 1 м/с2/√Гц.)Параметром, определяющим предельно достижимую точность измерения ускорения,является стабильность нулевого смещения. Определение стабильности нулевого смещенияприбора производится с использованием метода Аллановской вариации - метод анализавременной последовательности для определения внутреннего шума системы, как функциивремени усреднения.Для построения вариации Аллана (Рис. 9) брался участок шумовой записи,аналогичный участку записи для вычисления собственных шумов. Величина нестабильностинулевого смещения соответствует минимуму на Аллановской кривой и составила ~ 2,5 µgпри времени усреднения порядка 500 секунд.Рис.
9. Вариация Алана для электрохимического акселерометра.12Для исследования нелинейности отклика акселерометра, последний помещался накалибровочный стенд, с помощью которого создавался внешний синусоидальный сигнал начастоте 10 Гц. Амплитуда внешнего воздействия уменьшалась от ~4.5 м/с2 – максимальновозможной амплитуды для стабильной работы стенда, до амплитуды, при которой сигнал начастоте второй и высших гармоник снижался до уровня регистрируемых шумов.
Такимобразом, минимальная амплитуда колебаний составила ~0,6 м/с2.Относительная величина высших гармоник в сигнале линейного акселерометра непревышает 0,5% при ускорениях до 3 м/с2 (Рис.10) При этом нелинейность задаваемоговнешнего сигнала не превосходит 0,2%, а во всем исследуемом диапазоне амплитудвозрастает от ~0.05 до ~0,5% , и значительно превосходит величины нелинейных искаженийподаваемого на динамики электрического сигнала. С ростом амплитуды внешнеговоздействия от 3 м/с2 существенно возрастает нелинейность внешнего сигнала, т.е.колебания калибратора становятся не гармоническими, и, как следствие, растут и высшиегармоники в выходном сигнале акселерометра.0,70,6КНИ,%0,50,4КалибраторДатчик0,30,20,10012345a, м/с/сРис.10. Зависимости коэффициентов нелинейных искажений (КНИ) сигнала калибровочногостенда и сигнала исследуемого акселерометра от величины внешнего ускорения.Поскольку устройство микродатчика позволяет измерять постоянное ускорение, акалибровочные стенды не способны создать регистрируемый датчиками сигнал насверхнизких частотах (ниже 0.01 Гц), то передаточная характеристика исследуемых образцовлинейных акселерометров на самых низких частотах определялась исходя из отношениясигналов испытуемого прибора и опорного датчика с известной и плоской передаточнойфункцией по ускорению.
В качестве опорного датчика выступал линейный акселерометрXL103 (Analog Devices) с чувствительностью 1 В/g. Линейные акселерометры (исследуемыеи опорный) устанавливались на вращающейся платформе. При повороте платформы нафиксированный угол изменялась проекция ускорения свободного падения на осьчувствительности испытуемых и опорного акселерометров. Фактически подобный поворотэквивалентен воздействию на сенсоры внешнего сигнала в виде ступеньки.
Спектрпреобразования Фурье идеальной ступеньки, как известно, функция обратнопропорциональная частоте 1 ω , время поворота Тпов определяет частоту, после которойспектр Фурье преобразования функции поворота (в идеале ступенька) перестаёт спадать как1 ω . Зная коэффициент преобразования опорного акселерометра, и, поделив найденныйспектр отклика тестируемого прибора на спектр отклика опорного датчика, получимпередаточную функцию испытываемого прибора до частоты 1/Тпов.13Как видно из представленного на Рис. 11 графика, АЧХ чувствительного элементаимеет максимум на частоте около 0.001 Гц.
Теоретические модели, рассмотренные влитературном обзоре и во второй главе настоящей работы, дают плоскую АЧХ на низкихчастотах, что не объясняет результаты проведенного эксперимента. В связи с этим встаетвопрос об уточнении модели молекулярно-электронного переноса в преобразующемэлектродном узле.Рис. 11. АЧХ электрохимического акселерометра полученная на калибровочном стенде(красная кривая) и методом поворота (синяя кривая).Также в данной главе проведено сравнение (Табл. 1) полученных параметров спараметрами акселерометров ведущих производителей. Анализ приведенных результатов ихарактеристик приборов, выбранных для сравнения производителей, показывает, чтомолекулярно-электронные измерители линейных ускорений в исследуемой частотной полосе(0 – 40 Гц) опережают лучшие из микромеханических аналогов и успешно конкурируют сдругими типами измерителей по таким характеристикам как уровень собственных шумов,стабильность нулевого смещения и уровень гармонических искажений.АкселерометрСобственный шумЭлектрохимическийакселерометрA40 Accel (GladiatorTechnologies, USA)QA-3000 (HoneywellInternational, USA)AK-6 (ОАО «Серпуховскийзавод «Металлист», Россия)35 µg/√ГцНестабильность нулевогосмещения2,5 µg65 µg/√Гц45 µg10 µg/√Гц-30 µgТабл.1.
Сравнение шумовых характеристик электрохимического акселерометра с аналогами.В четвертой главе предложена модель электрохимического преобразователя(Рис. 12), которая учитывает кинетику реакций на границе электрод-электролит и конечнуюэлектропроводность рабочей жидкости. В рамках этой модели найдены зависимостиэлектродных токов от скорости стационарного движения жидкости в канале.Экспериментально измерены данные зависимости для электрохимического акселерометра с14различными конфигурациями электродного узла. Проведено сравнение экспериментальных итеоретических результатов.Рис. 12.
Модель электродного узла, учитывающая конечную электропроводностьэлектролита. Ra, Rc- анод-катодное и катод-катодное сопротивление электролита; φа1, φа2потенциалы электролита вблизи поверхности анодов на расстоянии двойного электрическогослоя; I a1 , I a 2 , I c1 , I c 2 - токи, текущие через электроды.Для токов (Рис. 12), текущих в объеме, справедливо следующее соотношение:( I a1 − I a 2 ) Ra + ( I a1 + I c1 ) Rc = ϕ a 2 − ϕ a1 ,(8)где Ra, Rc- анод-катодное сопротивление электролита и катод-катодное, соответственно; φа1,φа2- потенциалы электролита вблизи поверхности анодов на расстоянии двойногоэлектрического слоя.На практике в ЭП используется высоконцентрированный раствор йодида калия КI(фоновый электролит) и йода I2, в результате чего на электродах происходят обратимыеэлектродные процессы, в которых скорость электрохимической реакции очень большая икоторые лимитируются стадией доставки вещества к электроду.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
