Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

В

4, ф. Колпаков,.В. А. Шевелев, B. M. Читова Ь : П. Сейейов б

I

= j

Харьковский ордена Ленина авиапионный институт им. Н. Е, Жуковского (72) Авторы изобретения (13) Заявитель (54) ЙИфФЕРЕНБИАЛЬНЫЙ ПЬЕЭОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ . ПРЕОВРАЭОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике элек трических измерений невлектрических . величии и может быть использовано ддя для одновременного измерения механически1 успей и температуры.

Иэ;вестны дифференциальные пьезоелек- 5 трические преобразователи. Г l l .

Однако такие преобразователи предназначены для измерения только механи-" ческих усилий, Наиболее близким по технической сущ- 10 ности к изобретению является дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий многопараметровый чувствительный элемент с двумя пьеэореэонаторами, выполненными на одной пьезокварцевой пластине и подключенными к двум автогенераторам, смеситель и последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр нижних частот. выход которого связан с входами двух усили20 телей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого и второго автогенераторов (2) .

Однако из-аа небольшой относительной девиапии частоты (фазы) колебаний, поступающих на входы фазового детек тора, велика погрешность, обусловленная разрешающей способностью фазового детектора при работе кварпевых резонаторов на частотах порядка 5 МГп, недостаточно линейна характеристика фазового детектора.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры и механических усилий эа счет увеличения разрешающей способности и линейности фазового детектора.

Поставленная пель достигается тем, что в устройство введены два пьеэореэонатора, соединенные с двумя дополнительными автогенераторами, два смеси теля и три фильтра нижних частот, причач четвертый пьеэореэонатор выполнен на пьеэокварцевой пластине, выходы первого и третьего автогенераторов совдинены с входами второго смесителя, соединенного с вторым фильтром нижних час3 О7990 тот, подключенным к первому входу фа« г зового детектора, второй вход которого связан через третий фильтр нижних частот с выходом третьего смесителя, соединенного входами с выходами второго . и третьего автогенераторов, при этом выходы второго и четвертого автогенераторов соединены с входами первого смесителя, подключенного к четвертому фильтру нижних частот. <о

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя; на фиг. 2— конструкция чувствительного элемента преобразователя; на фиг. 3 - разрез

А-А на иг. 2.

Преобразователь содержит многопараметровый чувствительный элемент l c пьезокварцевыми резонаторами 2-5, причем резонаторы 2, 4 и 5 выполнены на одной пластине и подключены к автогенераторам 6-8, а пьеэокварцевый резонатор 3 включен в автогенератор 9.

Преобразователь содержит также три смесителя 10-12, три фильтра 13-15 нижних частот, при этом фильтры 13 и

l4 подключены к фазовому детектору )

16, выход которого соединен с входом фильтра 17 нижних частот. Сигнал с выхода фильтра 17 подается через усилители 18 и 19 на управляющие входы автогенераторов 6 и 8.

Многопараметровый чувствительный элемент 1 содержит корпус 20 и изготовленные за одно целое с ним мембрану.

2l и поддерживающие стойки 22, на ко35 торые устанавливается пьезокварцевая пластина 23 (ЬС-среза) с тремя парами круглых электродов 24. Чувствительный элемент 1 находится под действием силы F и температуры T. Круглые элек46 троды 24 нанесены на пьезокварцевой пластине 23 так, чтобы их центры были расположены под углом 120 "относительно центра пластины 23. При измерении воз- действующего давления Р происходит изменение сжимающих усилий F, пропорцио45 нальных давлению и прикладываемых к каждому резонатору. Вследствие температуры T на кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации.

Конструктивно автогенераторы 6 и 9 смеситель 10 и фильтр 13, а,также автогенераторы 7 и 8, смеситель 12 и фильтр 15 могут быть выполнены в виде двухчастотных управляемых напряжением кварцевых генераторов ДКГ„и ИКГ<, каждый иэ которых реализован на одном активном элементе.

3 ф

Преобразователь работает следукяцим образом.

Воздействие температурного и силового полей изменяют резонансные частоты пьеэокварцевых резонаторов 2, 5 и 4 и, следовательно, частоты генерации автогенераторов 6, 8 н 7. е „=f т- г

Ю2 УОХ+М™2F -„ о+ "Т- а р где К - коэффициент преобразования по температуре;

К К К - коэффициенты преобразования по силе.

В преобразователе коэффициенты К и

Кдвыбраны с положительным знаком, а

К вЂ” с отрицательным. Это достигается выбором в качестве пьезореэонаторов кварцевых резонаторов 4С-среды, которые в зависимости от угла приложения силы относительно оси кварцевых резонаторов могут иметь как положительный, так и отрицательный знак коэффициента силовой чувствительности, Фильтр 13 нижних частот выделяет раэностную частоту f „, поступающую на первый вход фазового детектора р = = о о ) " F.

Соответственно фильтр 14 выделяет раэностную частоту Я,, поступающую на второй вход фазового детектора

Р 2 3 а2 о ) Ф™2"За счет разности частот дЕ=Ер -fpgна выходе фазового детектора наблюдаются биения и в зависимости от знака мгно- венного напряжения биений разность между частотами f < и р то повышается то понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжений биений, в результате чего на выходе фазового детектора 16 образуется постоянная составляющая напряжений, тем большая, чем меньше начальная расстройка дЕн (асинхронный режим). Эта постоянная составляющая через фильтр 17 нижних частот подается на усилители

18 и 19 и благодаря заранее известному знаку расстройки и раэноименным знакам коэффициентов передачи усилителей

18 и 19 изменяются частоты автогенераторов 6 и 8 в разные стороны и соот5 .9799 ветственно частота биений будет снижаться до нуля. Наступает апериодический режим биений и происходит захват час тот j è f и соответственно fр1 и f р2 и напряжение на выходе фазового детек- 5 тора будет постоянно. B этом случае на. каждый вход фазового детектора воздей» ствует частотный сигнал, пропорциональный воздействующей на чувствительный элемент 1 температуре Ю

Т P» 0 03) 1 Р2 02 ОЪ) В дальнейшем возникающая при изменении воздействующей силы F дополнительная расстройка частот автогенераторов 6 и 8, следовательно, частот Ер и fpg приведет к изменению уровня постоянного напряжения на выходе фазового детектора 16 и фильтра 17. Если при возможных экстремальных расхождениях ляемых диапазоном возможных действующих сил, растройки, вносимые в автогенераторы 6 и 8, досгаточць! для полной компенсации этих расхождений, то постоян ное напряжение на выходе фазового детектора определяемое по разности фаз частот

Е р 1 и Ю р будет пропорционально силе F а частотные сигналы f р„и fpg будут 0 пропорциональны температуре Г, а фильтр

15 выделяет разностную частоту, пропорциональную силе

Предлагаемый преобразователь имеет повышенную точность измерений, так как работа устройства происходит на разност 40 ных частотах за счет чего улучшается работа фазового дегс.ктора и повышается его чувс твительность.

03 6

Формула изобретения йифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий чувствительный элемент с двумя пьеэореэонаторами, выполненными на одной пьезокварпевой пластине и подключенными к двум автогенераторам, смеситель и последоват -лько соединенные фазовый детектор, фильтр нижних частот, выход которого связан с входами двух усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого и второго автогенерагоров, о т л и ч а ю m и и с я так, что, с целью повышения точности измерения температуры и механических усилий за счет увеличения разрешающей способности и линейнос1и фазового детектора, в него дополнительно введены два пьезореэонатора, соединенные с двумя дополнительными автогенераторами, два смесителя и три фильтра нижних частот, причем четвертый пьезорезонатор выполнен на пьезокварпевой пластине, выходы первого и третьего автогенератора соединены со входами второго смесителя, соединенного с вторым фильтром нижних частот, подключенным к первому входу фазового детектора, второй вход которого связан через третий фильтр нижних частот с выходом третьего смесителя, соединенного входами с выходами второго. и третьего автогенерагоров, при этом выходы второго и четвертого автогенераторов соединены с входами первого смесителя,.подключенного к четвертому фильтру нижних частот.

Источники информашн, принятые во вснимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 558189, кл. 6 01 L 9/08, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке % 2886749/18-10 (02863l), кл. G Оl l/16, 25,02.80 (прототип).

979903 гд

Составитель А. Северин

Редактор В. Иванова Техред С.Мигунова . Корректор И. Ватрушкина

Заказ 9345/29 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д, 4/5

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