Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий чувствительный элемент с пьезоразонатором , автогенератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, отли . «лГ.Гй S3v t--;Mu f-K . чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет учета градиента температур, в него введены два фильтра, два делителя частоты, второй автог:енератор и умножитель частоты,при этом автогенератор выполнен двухчастотным и двумя выходами соединен через фильтры с делителями частоты, выходы которых подключены к входам фазового детектора , а выход, фазового детектора-через фильтр нижних частот соединен с входами двух усилителей, выходы которых включены на управляющие входы автогенератора, а выход одного делителя частоты дополнительно соединен с первым входом смесителя, второй вход которого через умножитель сл частоты подключен к выходу второго автогенератора, смесителя, входом с выходом фильтра нижних частг -

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

,G 01 L 1/16 G 01 К 7/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫИ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3333673/18-10 ,(22) 14.08.81 (46) 30. 03 . 83. Вюл. Р .12 (72 ) В.Я. Баржин, Ф.Ф. Колпаков, В.A.Øeðeëåâ и С.С.Пашков (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им.Жуковского (53) 531.781.536.53(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 518189, кл. 6 01 („ 9/08, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР по заяке Р .2886749/18-10 (028631), кл. G 01 4 1/16, 25.02.80. (54)(57) ДИФФЕРЕйПИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗО-

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержаший чувствительный элемент с пьезоревонатором, автогенератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, о т л и„„SU„„1008629 A ч а ю ш и и с я тем, что, с целью

-повышения точности измерения за счет учета, градиента температур, в него введены два фильтра, два делителя частоты, второй автогенератор и умножитель частоты,при этом автогене ратор выполнен двухчастотным и двумя выходами соединен через фильтры с делителями частоты, выходы которых подключены к входам фазового детектора, а выход. фазового- детектора.через фильтр,:нижних частот соединен с входами двух усилителей. выходы которых включены на управляющие входы автогенератора, а выход одного делителя частоты дополнительно соединен с первым входом смесителя, вто- Е рой вход которого через умножитель частоты подключен к выходу второго автогенератора, смесителя, входом с выходом фильтра нижних част С

1008629

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для одновременного измерения механических усилий и температуры.

Известен дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два дифференциально включенных пьезорезоиатора 13.

Недостатком устройства является невозможность одновременного изме- 10 рения силы и температуры.

Наиболее близким к предлагаемому но технической сущности является дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий чувствитель- 5 ный элемент с пьезорезонатором, автогенератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя 2). достаточно сложная конструкция чувствительного элемента, а также имеющийся градиент температур в чувствительном элементе не позволяет добиться высокой точности измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерения за.счет учета гради ента температур.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь введены два фильтра, два делителя частоты, второй автогенератор и умножитель частоты, при этом автогенератор выполнен двухчастотным и двумя выходами соединен через фильтры с делителями частоты, выходы которых подключены .к входам фазового. детектора., а выход 35 фазового детектора через фильтр нижних частот соединен с входами двух усилителей, выходы которых включены,на управляющие входы автогенератора, а выход одного делителя час-4Q тоты дополнительно соединен с первым входом смесителя, второй вход которого через умножитель частоты подключен к выходу второго автогенератора, связанного входом с выходом фильтра нижних частот.

На чертеже представлен преобразователь.

Преобразователь содержит чувствительный элемент 1 с пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к автогенератору 3. Выходы автогенератора 3 через фильтры 4 и 5, первый 4 из которых настроен на основную час-. тоту пьезорезонатора 2, а второй 5— на его ангармонику, связаны с входа- 55 ми делителей частоты б и 7 соответственно. Выходы делителей частоты б и 7 нагружены на входы фазового детектора 8, который связан через фильтр 9 нижних частот с входами 30 первого 10 и второго 11 усилителей, нагруженных своими выходами на управляющие входы автогенератора 3.

Выход фильтра 9 нижних частот также связан с входом второго автогенераI тора 12, подключенного через умножитель 13 к второму входу смесителя 14, первый вход которого связан с выходом второго делителя.7 частоты.

Упругий элемент 1 находится под действием силового и температурного полей в точке измерения. На торцевую поверхность упругого элемента 1 укреплен пьезокварцевый резонатор 2, испытывающий точечное нагружение.

Пьезорезонатор 2 подключен к автогенератору 3, работающему в двухчастотном режиме. С целью обеспечения высокой линейности и крутизны преобразования температурно-частотных и сило-частотных характеристик как на основной частоте,так и на ангармонике, целесообразно применение в качестве пьезорезонатора 2 кварцевого резонатора LC- ñðåçà. Для резонаторов LC-среза изменением угла приложения силы относительно йристал1 лографической оси Z кварцевого резонатора можно добиваться различного

4о величине и знаку коэффициента силовой чувствительности как на основной частоте, так и на ангармонике.

В дифференциальном.пьезоэлектрическом преобразователе необходимо обеспечивать определенное значение частот основного колебания и побочного резонанса (ангармоники) пьезоре-. зонатора 2, а также высокое качество (добротность ) ангармоники, т.е. необходимо уметь управлять частотой и качеством не только основного, но и ангармонического резонанса пьезорезонатора.

Первое условие необходимо для обеспечения достаточно простого разделения фильтрами 4 и 5 частот основного колебания Юо пьезорезонатора 2 и ангармоники Ед на выходе двухчастотного автогенератора 3, для чего частоты

Ео и Уд должны быть достаточно разнесены на частотной оси (для частот

f< и Уд порядка 5 10 Гц и при добротностях LC-фильтров порядка 100 этот разнос должен быть порядка

100 кГц и выше).

Второе условие необходймо для обеспечения высокой стабильности частоты ангармоники, так как в противном случае будет возрастать погрешность определения измеряемых температуры и силы из-за нестабильности частоты.

Экспериментальные исследования для кварцевых резонаторов на частоты

500 кГц — 5,5 МГц показали возможность. получений требуемого значения частоты ангармоники, отличающееся от основной на 20 кГц — 1 МГц путем изменения геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора. Экспериментальные исследования показали также возможность раздельной подстройки частот основного H

1008629 побочного резонансов по сравнению с расчетными значениями путем допыления материала электрода или снятием его части.

Главной и принципиально необходимой особенностью кварцевого резонатора с ангармоникой для работы собственно дифференциального пьезоэлектрического преобразователя является воэможность, варьируя геометрией пьезоэлемента и электродов, варьиро- 10 вать величиной добротности как основного колебания, так и ангармоники.

Это, в свою очередь, позволяет изменять коэффициенты тенэо- и термочувствительности.как на основной час-15 тоте, так и на ангармонике. Причина этого заключается в том, что при изменении добротности изменяются вместе с сопротивлением R0 кварцевого резонатора также один или .Оба реактивных динамических параметра L и Со кварцевого резонатора, которые, как

% % известно, ответственны как за .коэффициент .термочувствительности, так и за коэффициент тензочувствительнос 25

Таким образом, имеется воэможность управлять частотами, качеством и коэффициентами термо- и тензочувствительности основного и побочного резонан.са (ангармоники) кварцевого резонатора.

В преобразователе после фильтров

4 и 5, связанных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3. и настроенных на основную частоту f< 35 пьезорезонатора 2 и его ангармонику fp соответственно, имеются в за.висимости от одновременно воздей-, ствующих на упругий (чувствительный) элемент 1 силы F и температуры Т 40 частотные сигналы следующего вида: = + (T Т } (.F- о}

@12(TT0}+ Q22 (F F0) 4) где O ctо; коэффициенты преобразования и по температуре или коэффициенты" температурной чувствительности (коэффициенты термочувствительности )

0„,а - коэффициенты преобразовао о ния по силе или коэффициенты силовой чувствительности (коэффициенты тензочувствительности);

55 . Т,F — - измеряемые температура и сила (текущие);

Та,F0- координаты реперной точки, в которой определялись коэффициенты термо- и 60 тензочувствительности;

f0 — частота основного колебания в реперной точке, — частота ангармоники в реперной точке. 65

Сигналы с выходов фильтров 4 и 5 поступают на входы делителей б и 7 частоты соответственно, на выходе которых приобретают следующий вид где К1 и К2 — коэффициенты деЛения делителей 6 и 7 частоты.

Из-за различия коэффициенТов . термо- и тензочувствительности на основной частоте и побочном резонансе (ангармонике) пьезореэонатора 2, а, следовательно, за счет разности

vBcTDT+f p = f — fg, имеющейся после

1 .1 фильтров 4 и 5 и делителей частоты 6 и 7, на выходе фазового детектора 8, на входы которого нагружены выходы делителей частоты б и 7, наблюдаются биения, и в зависимости от знака,, мгновенного напряжения биений разность между частотами Г „ и f2 то повьыается, то..понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений. В результате этого на выходе фазового. детектора 8 образуется постоянная составляющая напряжения биений, причем тем большая, чем меньше начальная расстройка дУн частот Я и f (асинхрон1 ный :режим)

Коэффициенты деления делителей частоты 6 и 7 выбираются такими, что: о о

fp н

К„ = К2

Постоянная составляющая с. выхода фазового детектора 8 подается через фильтр 9 нижних частот на усилители

10 и 11 с соответствующими коэффициентами усиления: о (МТ 12 2

K — i

12 2 22 1 Пт а2 "1 о

2 о е,дК,- 2, -1

Сигналы с усилителей 10 и 11 подаются на управляющие входы управляемого напряжением двухчастотного автогенератора 3 и снижают частоту биений на выходе фазового детектора 8 до нуля. В реальной системе ФАПСИ с интегрирующим фильтром 9, если

dfg 4 о f> (ь 3 - полоса захвата 1008629 системы ФАПЧ )при любой фазе включениярежим биений становится апериодическим и наступает захват частот и Г2 (синхронный режим ), устанавливается постоянная разность фаз между частотами, поступающими на вход фазового детектора, при этом:

"н

G0SM0=

30 где аУу — полоса удержания системы

ФАПЧ, и напряжение на выходе фазового детектора будет также постоянно и пропорционально воздействующим на пьезорезонатор 2 температуре Т и силе F

0 0 о 0

11 21 12 22 ),, = — — — т.т )+ — — — (F-P }.

Д К К о К К2 О 20

Благодаря заранее известному выбору знака расстройки дГH частот

I и f2, а также величин коэффициентов,25 передачи усилителей 10 и 11, а,следовательно, соответствующему изменению напряжений управлений и,в конечном счете частот двухчастотного автогенератора 3, частотные сигналы

Х1т и Х2Тс выходов делителей б и 7 частоты не только захватились и равны, но и пропорциональны только воздействующей температуре T.

Таким образом, действительно в синхронном режиме частотный сигнал с выхода каждого из делителей б и 7 частоты пропорционален только воздействующей температуре Т, однако .в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, изменился коэффициент пропорциональности по каждой из частот

45 о о „о о

+ 21 12 11 22 к21

l2 2 22 1

В дальнейшем возникающая при изменении измеряемых Т и F дополнительная расстройка частот двухчастотного автогенератора 3 и, следовательно, t частот fÄ и f2 приведет к измене- 55 нию уровня постоянного напряжения на выходе фазового детектора 8 и фильтра 9 нижних частот. Если при возможных экстремальных расхождениях частот Г и Г2 ) т е при $1íп их оп

1 ределяемых диапазонами возможных 60 воздействующих (измеряемых) сил и теммпт ператур, расстройки d f 1 К 1 о Гнп, и 412 К2 Л Гнпххх,вносимые в ав>пт тогенератор 3, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то. х.5 напряжение на выходе фильтра 9 нижних частот всегда будет пропорционально воздействующим на пьезорезонатор 2 силе F и температуре T a частотные Сигналы с выходов делителей 6 и 7 частоты будут пропорциональны воздействующей температуре Т.

Таким образом, в отличие от прототипа, .сигнал с фильтра 9 нижних частот зависит не только от F, но и от Т„ что объясняется неидентичностью коэффициентов термочувствительности на основной частоте пьезорезонатора 2 и его ангармонике. Поэтому для Разделения информации о Т и F в предлагаемом устройстве сигнал о фильтра 9 нижних частот поступает также на управляемый напряжением автогенератор 12, на выходе которого имеем частотный сигнал о,„о

0 Π— — (т-Т,)+ — K- — „(- >

H 21 12 22

Поскольку температурная составляющая в сигнале f3 в К. Раз меньше тем-, пературной составляющей в сигнале

У „00 0

21 12 l1 22,„о о

11 Р21

К К о - о

12 2. 22 .1 то между выходом автогенератора 12 и .вторым входом смесителя 14 введен умножитель 13 частоты с коэффициентом умножения К.

Тогда частотный сигнал, поступающий на второй вход смесителя 14,имеет следующий вид:

О K-à

У . У К КК +К 11 2 21 g (ТТ

1 о)

00К оК

+K 12 2 22.пРичем выбирается f = К f0 .

Йа первый вход смесителя 14 подаI ется сигнал f2T с выхода второго делителя 7 частоты. Тогда на выходе смесителя 14 при выделении разностной частоты f p = Г з - f2> будем иметь частотный сигнал, пропорциональный только измеряемой силе

0 О 0 0

° 21 t2 11 22

Р 0 К,„О К

11 2 21 1

Следовательно, в предлагаемом устройстве имеется возможность разделения информации о Т и F и представле ии ее в частотной форме. Кроме зто1008629

1 го, в предлагаемом. устройстве точность определения воздействующих Т и F гораздо выше, нежели в прототйпе.Это связано как с использованием лишь одного пьезорезонатора, а,следовательно, с упрощением конструкции чувствительного элемента и отсутстви4Х1 12 21 (М И 22 Ю(11 Х. 12 22 а22 И1

11 22 12

У 11 22 С 2112 а2 Х2 11 21 а21 а«

Х2

11 22 12. 21 что приводит к практически полному отсутствию зависимости погрешностей

20 от значений измеряемых Т и F и к уменьшению самих величин погрешностей.

- Составитель A.Ñåâåðèí

ТехРеД С.МигУнова 1(оРРектоР М.коста

Редактор Н.Стащишина

Заказ 2329/54

Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комнтета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Как показали эксперименты при изменении Т и Е выполняются соотношения: 4С 1. и . 4 412 4о 2

1 с о с о о о

11 2 12 22 ем градиента температур, так и с некоторыми другими факторами.

Можно дОказать, что погрешность измерения для случая одновременного измерения двух параметров трансформируется для каждой составляющей

Х Т) и X2(F) следующим образомг