Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

< 1979902 (63 ) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено18. 06. 82(2! ) 3303600/18-10 с прнсоеднненнем заявки.лЪ— (23) Приорнтет—

Опубликовано 07.12.82. Бюллетень № 45

Дата опубликования описания 07.12. 82 (51) М. Кл.

G 01 i» 1/16

)Ьаударстюньй камнтат

СССР

ID дедам изобретений н атнрнтнй (53) УДК531. 768 (088. 8) i »-

Ф. Ф. Колпаков, В. A. Шевелев, В. М. Читова ф В; - Л..-ffacapya л 3

L . Ir

Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. H. Е. Жуковского (72) Авторы изобретения (7!) Заявитель (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

f1 = f01+ ар(F)-DE (т)

f0>- Df (F) + дЕ (T) 1

Изобретение относится к технике элек» трических измерений.неэлектрических величин и может быть использовано для одновременного измерения механических усилий, температуры и влажности.

Известен дифференциальный пьезоэлек трический преобразователь механических усилий, содержащий упругое кольцо с пьезоэлектрическими вибраторамй (1 ) и 323.

Недостатком устройства является возможность измерения лишь одного параметра — силы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дифферен15 циальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий многопараметровый чувствительный элемент с "двумя пьезорезонаторами, выполненный на одной пьезокварцевой пластине и подключенными щ

: к. двум автогенераторам, которые своими входами погружены на входы фазового детектора, связанного через фильтр нижних частот с входами первого и второго уси2 лителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого и второго автогенераторов.

В известном устройстве чувствительными элементами автогенераторов которого служат пьезокварцевые резонаторы, одно из измеряемых. воздействияй, в частности сила, приводит к изменению частот пьезо резонаторов в противоположные стороны, в конечном счете, и изменению частот генерации автогенераторов, в разные стороны, в то время как второй измеряемый параметр — температура приводит к изменению частот пьезорезонаторов, и, следовательно, частот автогенераторов в одну и ту же сторону

Благодаря дифференциальному включению пьезорезонаторов и схеме устройства имеется возможность измерять помимо

02 4 третьего автогенератора 7, нагруженного на пера|й вход дополнительного фазового детектора 14, второй вход которого связан с выходом четвертого автогенератора 13, подключенного первым управляющим входом к выходу фильтра 10 нижних частот, а выход дополнительного фазового детектора 14 через дополнительный фильтр

15 нижних частот подключен к входам третьего 16 и четвертого 17 усилителей, нагруженный на вгорые управляющие входы третьего и четвертого 13 автогенераторов.

Многопараметровый чувствительный элемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 18 и изготовленные за одно целое с ним мембрану 19 и цоддерживаюшие мембранные стойки 20. В корпусе 18 поддерживающие мембранные стойки 20 устанавли вается кварцевая пластина, 2,1 (ЬС-среза) со ступенчатыми электродами 22; на опорные шайбы 23 установлен пьезокварцевый диск 24 (LC opera) с плоскими электродами 25, поджатый с торцов пружинами 26.

Многоца рамвтровый чувствительный элемент 1 находится под действием силы

Р(Х „), температуры Т(Х ), ускорения (Х ), действующего в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 18 и проходящей через середины пружин 26, Пьезокварцевый диск 24 с плоскими электродами 25 выполнен из материала такого же ЬC-ереза как и пьезоквариевая пластина 21 со ступенчатыми электродами 22, а также имеет одинаковую с пьезокварцевой пластиной 21 ориентацию относительно кристаллографических осей. Благодаря этому устраняется помеховое влияние температуры Т, заключающееся во взаимном перемещении плоских электродов 25 пьезокварцевого диска 24 относительно ступенчатых электродов 22 пьезокварцевой пластины 21. Пьезокварцевый диск 24 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполняет роль массы, используемой в акселеромвтрах. При этом ширина и конфигурация пружин 26, ограничивающих перемещение пьезокварцевого диска 24 по поверхности опорных шайб 23, выбирается такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действия ускорения и максимальную жесткость во всех остальных направлениях. Ступенчатые электроды 22, центры которых расположены под углом 120о относительно центра пьезокварцевой пластины 21, нанесены на ней так чтобы плоскости торцов

3 9799 силы и второй измеряемый параметртемпературу Г31 .

Однако в известном устройстве отсутствует возможность одновременного изме», рения ускорения, действующего на датчик.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, т. в возможность йзмерення помимо температуры и силы erne и ускорения.

Поставленная цель достигается тем, fy что в устройство введены третий пьезорезонатор, входящий в состав многопараметрового чувствительного элемента и включенный в дополнительно введенный третий автогенератор, преорразователь частота напряжение, четвертый автоге йератор, дополнительный фазовый детектор дополнительный фильтр нижних частот, а также третий и четвертый усилители, прц чем выход второго автогенератора связан gg через преобразователь частота - напряжв ние с первым управляющим входом третьего детектора, второй вход которого связан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первым управляющим вхо- щ дом к выходу первого фильтра нижних час тот, а выход дополнительного фазового детбктора через дополнительный фильтр нижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей, нагруженных у на вторые, уЩ>авляющне входы третьего и четвертого автогенераторов.

На фиг. 1. изЬбражена функциональная схема предлагаемого дифференциального пьезоэлектрического преобразователя;

33 на фиг. 2 - конструкция предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит многопараметровый (трехпараметровый) чувствительный элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2-4, подключенными к автогенераторам 5 - 7, фазовый детектор 8, преобразователь 9 частота - напряжение, фильтр 10 нижних частот, усилители 11 и 12, чвтвертый автогенератор 13, дополЯ . нитвльный Фазовый детектор 14, дополничтельный фильтр 15 нижних частот, третий и четвертый усилители 16 и 17 соответственно, причем выходы первого 5 и второго 6 автогенераторов своими выходами нагружены на входы первого фазового деЗО тектора 8, связанного через фильтр 10 нижних частот с входами первого 12 и второго 11 усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого 5 и второго 6 автогенераторов, выход второго автогенера тора 6 свйзан через йреобразователь частота напряжение 9 с первым управляющим входом

2 6 резонансных частот пьезокварцевых резонаторов 2 - 4 и, следовательно, частот генерации f f >, f автогенераторов 5 - 7. Причем, так как в качестве резонаторов применяются кварцевые резонаторы L С-среза, обладающие линей.ной зависимостью часготы от T,F и с, то частоты генераторации можно записать следующим образом

+ с T+ с „ + с

5 97990 рступенек были перпендикулярны направле-. .нию действия ускорения.

В процессе сборки многопараметрово го чувствительного элемента на мембрану 19 воздействуют давлением, при этом поддерживающие мембранные стойки 20 отклоняются в стороны и в них вставляется пьезокварцевая пластина 21 со ступенчатыми электродами 22, причем таким образом, чтобы ось каждого резонатора 10 проходила через центр поддерживающей мембранной сгойки 20 и центр пьезоквар цевой пластины 21. При снятии давления пьезокварцевая пластина 21 оказывается зажатой в трех поддерживающих мем" И бранных стойках 20. При этом пьезокварцевый диск 24 подгибом пружин 26 устанавливается относительно зажатой пьезокварцевой пластины 21 так, чтобы плоскость симметрии каждого резонатора про- 20 ходила через диаметр каждого плоского электрода 25 пьезокварцевого диска 24 и вдоль плоскости раздела массы соответ» ствуюшего ступенчатого электрода 22 пьезокварцевой пластины 21. Отметим, 25 что диаметр каждого плоского (подвижного) электрода 25 меньше диаметра соответствующего ступенчатого (неподвижного) электрода 22.

11 2 3

Коэффициенты преобразования по силе и массе при дифференциальном включении должны иметь для резонаторов 2 и 3 либо противоположные знаки, либо различные по величине коэффициенты с(z и 4 ><, cf)y и с э

В качестве пьезокварцевых резонаторов в предлагаемом устройстее используются резонаторы L С-среза, имеющие высокие коэффициенты преобразования по температуре, силе и массе и обладаюшие линейной зависимостью частот от измеряемых воздействий. Кроме того, для этих резонаторов можно подобрать необходимые величины и знаки силовых коэффициентов чувствительности. Так, например, при изменении угла приложения силы относи тельно кристаллографической оси Z кварцевого резонатора можно получать различные по величине и знаку коэффициенты силовой чувствительности. В нашем случае при приведенном на фиг. 2 расположении резонаторов относигельно центра пьезоэлектрической пластины 21 коэффи. 1 .

При изменении воздействующего давления .Р происходит изменение сжимающих усилий, пропорциональных давлению и прикладываемых к каждому резонатору (эффект тензочувствнтельности) .

Воздействие температуры Т на кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации (эффект термочувствительности).

Воздействие ускорения приводит к

Изменению взаимного расположения подвижных (плоских) электродов 25 пьезокварцевого диска 24 и неподвижных (ступенчатых) электродов 22 пьезоквар- <> цевой пластины 21, а, следовательно, и изменению. массы неподвижных электродов 22 в активной зоне (эффект массочувствительности).

Таким образом, кварцевые резонаторы

2 - 4 многопараметрового чувствительного элемента 1 находятся под действием давления, температуры и ускорения. Поскольку резонаторы 2-4 подключены соответственно к автогенераторам 5 — 7, то

И одновременное воздействие силового и температурного полей, а также ускорения, через эффекты тенэо, — термо, — и массо. чувствительности приводит к изменению

Е + l „T + clog F+Î (

0 -„(= 1, 3 ) — коэффициент преобразования по температуре или

q. (1 = 4, Э) — коэффициент температурной чувствительности соответствующего кварцевого резонатора; с - (=, > ) — коэффициент преобразования по силе или коэффициент массочувствительности.

Пьезоэлектрические резонаторы 2 — 4 выполнены на одной обшей пьезокварцевой пластине 21 и имеют одинаковые по величине и знаку коэффициенты преобразования по температуре, что характерно для дифференциальных устройств

7 07000 циенты силовой чувствительности 0 2, с»22 и О имеют Разные величины, однако чакие, что коэффициент силовой чувствительности по величине равен разности двум других коэффициентов

S (4»

М 13 2Ъ

Работа предлагаемого устройства происходит следуюшим образом. 1

Из-еа различия коэффициентов тензои массочувствительности резонаторов 2

» и 3, à, следовательно, за счет разности частот д =Х. Е автогенераторов 5 и

6, подключенйых к первому фазовому де- З1 тектору 8, на выходе последнего наблюдается биение, причем в зависимости от знака мгновенного напряжения биений разность между частотами автогенераторов 5 и 6 то повышается, то понижается, что при- 23 водит к неодинаковой длительности поло «

1 жительной и отрицательной полуволн раю-. пределения биений, в результате чего на выходе фазового детектора 8 образуется постоянная составляюшая напряжения, Зф тем большая чем меньше начальная расстройка дЕН частот Е и Е2 (асинхронный режим). Эта постоянная составляюшая подается через фильтр 10 никних

ЭЗ вуюшими по величине и знаку коэффициентами усиления на автогенераторы 5 и 6 и снижает частоту биений до нуля. В реальной системе ФАПЧ с интегрируюшим фильтром 10, если д f н «< д Ез(hf>- по- <о лоса захвата системы ФАПЧ) нри любой фазе включения режим биений становится апериодическим и наступает захват частот. При этом устанавливается-постоянная разность фаз

4S д н сов с, =— дХу а, следовательно, учитывая вышесказанное частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 5 и 6 будет пропорционально воздействуюший на пвезорезонаторы измеряемой температуры Т (синхронный режим).

Частотный сигнал с генератора 6, пройдя через преобразователь Й частота— напряжение, поступает на первый управляюший вход автогенератора 7 и компенсирует составляющую с» 5.»Т, в результате чего частоту его генерации можно предста» вить в виде (8) (3»

Коэффициенты массочувствительности выбраны все разные по величине, причем выполняется следуюшее неравенство ме- р жду ними

2 8 мент времени также произойдет взаимный захват частот ф1 и Е

В этом случае с выхода каждого из автогенераторов 5 и 6 имеем частотный сигнал, пропорциональный воздействуюшей температуре

„— с(Р -ц„ =К -е,С И" "2З% смт =а т () В дальнейшем возникаюшая при изменении воздействуюших сил F и ускорения с дополнительная расстройка частот автогенераторов 5 и 6 приведет к изменению уровня постоянного напряжения на выходе фазового детектора 8 и фильтра 10 нижних частот. Если при возможных экстремальных расхождениях частот Х„и f 2 определяемых диапазонами возможных воздействуюших сил и ускорений, расстройки, вносимые в автогенераторы 5 и

6, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то напряжение на выходе фильтра 10 нижних частот всегда будет пропорционально воздействуюшим на пьезорезонаторы 2 и 3 силы F и ускорению о,. »ф,а - (с „-с»22)F+(%g 23»ñ () 4= + с М + с э где д - полоса удержания системы

ФАПЧ, и напряжение на выходе фазового детектора 9 также постоянно.

B предлагаемом устройстве благодаря заранее известному выбору знака расстройки yf автогенераторов 5 и 6 и равным н л. 55 по знаку и различным по величине коэффициентам передачи усилителей 11 и 12, а, следовательно, частот управляемых . автогенераторов 5 и 6 вопределенный мот. е, этот сигнал не зависит от температуры Т (результат компенсации).

Сигнал с выхода первого фильтра 10 нижних частот поступает на первый управляюший вход четвертого автогенератора

13, в результате чего его часготу генерации можно записать в виде

f "-104 (»12 a22)F+ (ц1Ъ 423»% (9»

Поскольку коэффициент силовой чувствительности Cl j пьезорезонатора 4 выб979902 10 тровый чувствительный элемент с двумя пьезорезонаторами, выполненными на одной пьезокварцевой пластине и подключенными к двум автогенераторам, которые своими выходами нагружены на входы фа» зового детектора, связанного через фильтр нижних частот с входами первого и второго усилителей, соединенных своими выходами с управляюшими входами первого и второго автогенератаров, о т л и ч аю ш и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены третий пьезорезонатор, входяший в состав многопараметрового чувствительного элемента и включенный в дополнительно введенный третий автогенератор, преобразователь частота — напряжение, четвертый автогенератор, дополнительный фазовый детектор, дополнительный фильтр нижних частот, а также третий и четвертый усилители, при этом выход второго автогенератора связан через преобразова тель частота - напряжение с первым управляюшим входом третьего автогенератора, нагруженного на первый вход дополнительного фазового детектора, второй вход которого связан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первым управляюшим входом к выходу фильтра нижних частот, выход дополнительного фазового детектора через дополнительный фильтр нижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей, связанных с вторыми управляюшими входами третьего и четвертого автогенераторов.

9 ран из условия (3), т.е.

Ъ2 с 2 22

a33 g (a„> - a2>) а коэффициент массочувствительности йьезорезонатора 4 выбран. из условия (4),5 т. е. то мы имеем дифференциальное устройст- и во, включаюшее, автогенераторы 7 и 13, второй фазовый детектор 14, второй фильтр

15 нижних частот, а также третий и четвертый усилители 16 и 17, относительно третьего измеряемого параметра - ускорения.

Имеюшаяся расстройка .частот f > и f4 автогенераторов 7 и 13 приводит к аналогичному ранее рассмотренному режиму биений (асинхронный режим), а затем 3е захвату частот f y„и f4 (синхронный режим), в результате чего напряжение на выходе второго фильтра 15 нижних частот будет пропорционально третьему измеряемому параметру - ускорению с, а р5 частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 7 и 13 при выбранных разнозначных коэффициентах усиления усилителей 16 и 17 будет пропорционален воздействуюшей на пьезорезонаторы силе F

fF= <3 - -<>35 =а32Р =Е4 о4 (+ - 23)% (a 2 <22)F ("2) Следовательно, в предлагаемом устройстве имеется возможность одновремен, 35 ного измерения трех разнородных физических параметров - температуры, силы (давления) и ускорения, а также увеличить точность определения температуры и силы за счет устранения дополнительной погрешности их определения, обусловленной влиянием ускорения.

Формула изобретения

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содеркаший многопарамеИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 558189, кл. G 01 (, 9/08, 1975.

2. Патен Великобритании

% 1483456, кл. G 1 G (G Ol (, 1/16), 1 977.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке Л" 2886749, кл. G 01 4 1/16, 1980 .

979902

Составитель Н. Мараховская

Редактор В. Иванова Техред С.Мигунова

Корректор И. Ватрушкина

Подписное

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

Заказ 9345/29 Тирах 887

В}1ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

l l3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5