DK143927B - Kobling til resonansfrekvensmaaling ved frekvensafstemning af filterresonatorer i et elektromekanisk filter - Google Patents

Description

(19) DANMARK

|j| (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT (11) 143927 B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 165/77 (51) IntCt.3 H 03 H 9/00 (22) Indleveringsdag 17. jan. 1977 (24) Løbedag 17. jan. 1977 (41) Aim. tilgængelig 28. aug. 1977 (44) Fremlagt 26. okt. 1981 (86) International ansøgning nr. - (86) International indleveringsdag (85) Videreførelsesdag - (62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 27· feb. 197 6, 2608137, DE

* (71) Ansøger _SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFDi Berlin und Muenchen, 8 Muenchen 2, DE.

(72) Opfinder Horst Bergmann, DE.

(74) Fuldmægtig Internationalt Patent-.Bureau.

(54) Kobling til resonansfrekvens« måling ved,frekvensafstemning af fllterresonatorer i et elek= tromekanisk filter.

Opfindelsen angår en kobling til resonansfrekvensmåling ved frekvensafstemning af filterresonatorer i et elektromekanisk filter, hvor frekvensafstemningen sker ved reguleret fjernelse af resonatormateriale i afhængighed af en ved en ønske/øjebliksfrekvenssammen-ligning frembragt differensfrekvens, og hvor filteret indeholder ® mindst to mekanisk koblede mekaniske resonatorer, hvoraf mindst én resonator er forsynet med mindst den - ene af to elektrostriktivt T) virkende elektromekaniske transorer, og mindst én resonator ikke in- -j- deholder en sådan transor, og hvor der med hver af de elektromekaniske ” transorer er parallelkoblet en spole, der fortrinsvis er udført som jjj variabel selvinduktion og ved hjælp af en kondensator med variabel -I kapacitet kan være kompletteret til en parallelresonanskreds, hvil- 2 143927 ken spole har en sådan selvinduktIonsværdi, at denne sammen med den pågældende elektromekaniske transors statiske kapacitet danner en til ønskefrekvensen for den resonator, der skal afstemmes, inklusive de hermed forbundne koblingselementer, afstemt indgangs- eller udgangsparallelkreds (indgangs- eller udgangsklemmekreds).

For at et elektrisk filter kan fungere upåklageligt, gælder der som bekendt den forudsætning, at filterets enkelte resonanskredse i hvert enkelt tilfælde skal være afstemt med en forholdsvis stor nøjagtighed til en bestemt forudgiven resonansfrekvens. Da denne forudsætning i almindelighed ikke fra første færd er opfyldt på grund af uundgåelige fremstillingstolerancer, er det nødvendigt, at de enkelte resonanskredse, som indgår i et færdigt fremstillet filter, derpå bliver indstillet til de resonansfrekvenser, der kræves i de enkelte tilfælde. I forbindelse med elektromekaniske filtre kan denne afstemning ske ved sandblæsning af de mekaniske resonatorer eller ved at bearbejde disse ved hjælp af laserstråler. Ved denne procedure har man dog vanskeligheder med at fastlægge resonansfrekvensen for de enkelte resonatorer, der skal afstemmes, uden at virkningen fra mekanisk koblede naboresonatorer samtidig hermed påvirker afstemningen.

Til undgåelse af en sådan påvirkning er det f.eks. kendt i så høj grad som muligt at søge at undgå tilbagevirkning fra naboresonatorer til den resonator, der skal afstemmes, under afstemningsproceduren ved at forhindre disse naboresonatorer i at svinge ved hjælp af en mekanisk klemmeanordning. Hertil kræves der dog en kostbar mekanisk presse, der herudover gør det nødvendigt, at klemmefladerne ved resonatoren i så høj grad som muligt er plane og er indbyrdes parallelle. Som følge heraf kan resonatoren ikke som sædvanligt afstemmes ved fjernelse af materiale ved klemmefladerne. En sammenklemning på de steder, hvor en resonator udfører den største bevægelse, er dog ofte umulig, da en resonator i almindelighed på dette sted er udstyret med en transor i form af et elektrostriktivt keramisk materiale. Det til sammenklemningen nødvendige sammenklemningstryk ville nemlig ødelægge det keramiske materiale.

Til omgåelse af disse vanskeligheder er det kendt f.eks. fra beskrivelsen til tysk patent nr. 1.245.507 at erstatte den mekaniske sammenklemning med en såkaldt elektrisk sammenklemning. Under forudsætning af, at naboresonatorerne til den resonator, der i hvert en- 143927 3 kelt tilfælde skal afstemmes, som kombinationsvibratorer er forsynet med elektrostriktive transorer, opnås denne elektriske sammenklem-ning på den måde, at de pågældende transorer under afstemningen hver shuntes af en spole med en sådan selvinduktion, at denne spole sammen med den pågældende elektromekaniske transors statiske kapacitet i hvert enkelt tilfælde danner en til ønskefrekvensen fpr den resonator, der skal afstemmes, inklusive de hermed forbundne koblingselementer, afstemt parallelresonanskreds. Herved bliver de resonatorer, der ligger umiddelbart ved siden af den resonator, der skal afstemmes, dæmpet stærkt, således at disses tilbagevirkning på den resonator, der skal afstemmes, under afstemningsproceduren er negligibel. Påvirkningen til svingning og målingen af svingningsfrekvensen for resonatoren under afstemningen sker i dette, tilfælde ved hjælp af elektrostriktive transorer, som skal være anbragt på selve den under afstemning værende resonator.

Til afstemning af vibratorer, som ikke besidder nogen transor, kræves der dog en anden form for aktivering tfl svingning og måling af resonansfrekvensen. I dette tilfælde kan resonatoren påvirkes til at svinge ved hjælp af en drivanordning, f.eks, en aktiveringsspole under udnyttelse af magnetostriktionseffekten. Den resonansfrekvens for resonatoren, som måles ved hjælp af en mikrofon, der er anbragt i umiddelbar nærhed af den pågældende resonator,føres herefter i almindelighed til en tilbagekoblingsforstærker, der sammen med drivanordningen og mikrofonen danner en målekreds. I denne målekreds måles så den pågældende resonansfrekvens. Egenresonansfrekvensen for den resonator, der bliver målt på, bliver imidlertid herved forskudt i forhold til den egenresonansfrekvens, dør forekommer i den umagnetiserede tilstand. Denne frekvensforskydning hidrører fra resonatormaterialets elasticitetsmodul E's afhængighed af formagnetiseringens størrelse, og værdien af den relative frekvensændring Δί/f kan ved ugunstigste resonatormateri^le og kraftig formagpeti- —4 sering blive helt op til 2 x 10 . Det kraftige mikrofonslid, der er forbundet med afstemning ved hjælp af sandblæsning er også en ulempe ved denne form for svingningsmåling. Endvidere kan de ultralyd-bølger, der optræder i forbindelse med afstemning ved hjælp af sandblæsning medføre fejlmålinger. En yderligere ulempe er den uensartede magnetisering af de enkelte resonatorer, som skyldes uundgåelige materialeuregelmæssigheder, hvilket gør det meget vanskeligt at automatisere denne kendte fremgangsmåde.

4 143927

Ved opfindelsen tilsigtes det at undgå ovennævnte ulemper og frembringe en kobling af den indledningsvis angivne art, som egner sig til resonansfrekvensmåling ved afstemning af filterresonatorer, som ikke er forsynet med elektrostriktive transorer. Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at til måling af resonansfrekvensen for sådanne resonatorer, der ikke er forsynet med elektrostriktive transorer, er indgangstransoren forbundet til en fødekreds, som indeholder en højohmsk generator, hvis udgangsspænding er frekvensindstillelig i området for resonatorernes ønskefrekvens, og ved hjælp af hvilken den resonator, der skal afstemmes, under kun ubetydelig ændring af indgangsklemmekredsens godhed får tilført mekanisk svingningsenergi, hvorhos en af dé elektrostriktive transorer er forbundet til en højohmsk målekreds til måling af egenfrekvensen for den resonator, der skal afstemmes.

Det har i den forbindelse vist sig at være en fordel, at målekredsen er forbundet til udgangstransoren.

Såfremt udgangstransoren ikke er tilgængelig for frekvensmåling, er det en fordel, hvis målekredsen er indskudt i fødekredsen.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en kobling ifølge opfindelsen anvendt ved afstemning af et 3-trins elektromekanisk filter, fig. 2 et elektrisk ækvivalentdiagram for det i fig. 1 viste filter kompletteret med koblingen ifølge opfindelsen, og fig. 3 en modifikation af den i fig. 2 viste kobling.

Den i fig. 1 viste filteranordning indeholder tre ved hjælp af to indbyrdes parallelle koblingstråde 1 mekanisk koblede resona torer af bøjesvingningstypen, der hver er udformede som cylinderformede metalstave og er forsynet med plane partier, der forløber parallelt med stavaksen.De plane partier er rettet ind efter en plan parallelt med en af en basisplade 3 dannet plan. Svingningspåvirkningen eller svingningsoptagelsen sker ved hjælp af pladestykker 4 og 4' af elektrostriktivt materiale, der er fastgjort til de yderste resonatorer 2 og 2''s flade partier og hver på den side, der vender bort fra resonatoren, er forsynet med en metallisering, der er forbundet med en tynd forbindelsestråd henholdsvis 6 og 6', som er ført til en igennem basispladen 3 indskudt forbindel'sesstift henholdsvis 5 eller 5'. En anden forbindelsestråd er i hvert enkelt tilfælde forbundet til den ene af to holdeorganer 7 og 7', som hver af de ydre resonatorer 2 og 2' 143927 5 er forsynet med, og denne forbindelsestråd fører til en tilslutningsstift henholdsvis 8 eller 8', der er udformet som en gennemføring for basispladen 3. Holdeorganerne 7 og 7' er udformet son korte vinkelbøjede metalstifter af meget ringe tykkelse, som i deres ene ende er fastgjort til den pågældende resonator i en svingningsknude og som i deres anden ende er forankret i basispladen 3.

Da filteranordningen ifølge fig. 1 er symmetrisk opbygget kan resonatoren 2 eller resonatoren 2' vilkårligt vælges som indgangeresonator. I den efterfølgende beskrivelse gås der qd fra, at resonatoren 2 drives som indgangeresonator.

Ved at påtrykke en elektrisk vekselspænding imellem den ydre resonator 2's tilføringsstift 5 og tilslutningsstift 8 påvirkes denne resonator til igennem de opståede, af den såkaldte tværkontraktionseffekt forårsagede udvidelser og forkortelser af det af elektrostriktivt materiale bestående pladestykke 4, at udføre bøje-svingninger, når resonatorens egenfrekvens ved bøjning i det mindste tilnærmelsesvis stemmer overens med den påtrykte vekselspændings frekvens. Denne bøjebevægelse overføres over koblingstrådene 1 til den ved siden af liggende indre resonator 9, der såbedes også udfører bøjesvingninger. På grund af den gennemgående kobling optræder der også bøjesvingninger hos den yderste resonator 2', ved hvilken der på grund af den piezoelektriske virkning af pladestykket 4' imellem resonatoren 2' og den herfra bortvendte metallisering optræder en vekselspænding, som kan aftages imellem tilførselsstiften 5r og tilslutningsstiften 8'.

Til afstemning af den midterste resonator 9, som ikke er forsynet med en elektrostriktiv transor, er det nu nødvendigt at undertrykke de hos de yderste resonatorer 2 og 2' optrædende svingninger så meget som muligt. Dette kan giøres således som det f.eks. er kendt fra beskrivelsen til tysk patent nr. 1.245.507, ved hjælp af de i fig. 1 viste spoler 10 og 10', som under afstemningspropedgren tilkobles imellem stifterne 5 og 8 henholdsvis imellem stifterne 5' og 8', og hvis selvinduktionsværdier er valgt således, at de sammen med de pågældende elektrostriktive transorer 4 og å^s statiske kapaciteter hver danner en parallelresonanskreds, hvis resonansfrekvens er afstemt til ønskefrekvenseh for resonatoren 9 inklusive koblingstrådene 1.

I stedet for den sædvanlige med de foran angivne ulemper behæftede aktivering af den midterste resonanator 9 ved hjælp af et 6 143927 magnetfelt under udnyttelse af magnetostriktionsprincippet og fre--kvensmålingen over en mikrofon, som optager lydbølgerne fra resonato-ren,.sker svingningsaktiveringen af og frekvensmålingen på den midterste resonator 9 ifølge opfindelsen over de elektrisk fastklemte som kombinationsoscillatorer udformede ydre resonatorer henholdsvis 2 og 2'. Herved får indgangstransoren 4 under afstemningen af den midterste resonator 9, tilført en så højohmsk elektrisk energi over en fødekreds, at indgangsklemmekredsens godhed kun bliver ubetydeligt forringet. Herigennem virker kombinationsoscillatoren 2 som drivkreds med en meget ringe svingningsgodhed, der i praksis ikke influerer på den hertil koblede midterste resonator 9's resonansfrekvens. Egenfrekvensen for den resonator, der skal afstemmes, kan da over en højohmsk målekreds måles ved den til resonatoren 2' knyttede elektrostriktive transor 41, der på grund af den elektriske fastklemning ligeledes har en negligibel indflydelse på den midterste vibrators egenfrekvens.

• I fig. 1 er den af en generator G og en højohmsk formodstand Bl bestående fødekreds forbundet parallelt med spolen 10. Den høj-ohmske udgangsmålekreds består af en med spolen 10' parallelt forbundet højohmsk modstand R2 og en parallelt med modstanden R2 forbundet målemodtager M, som er forbundet med en frekvenstæller Z. Det er i almindelighed gunstigt at vælge en sådan værdi for modstandene Ri og R2, at klemmekredsenes svingningsgodhed er mindst lig med 50. Godheden for de ydre kombinationsvibratorer 2 og 2' er på grund af klemvirkningen reduceret fra 3000 til ca. 10. Herigennem virker kombinationsvibratorerne som drivkredse med meget små sving-ningsgodheder og påvirker praktisk taget ikke resonansfrekvensen af de hertil koblede vibratorer. Herved er det muligt at måle resonansfrekvensen af den midterste resonator 9, der med en tilhørende stor værdi for godheden over koblingstrådene 1 bringes til at vibrere, hvilken måling inden for vide grænser er upåvirket af de ydre kombinationsvibratorers egenskaber.

I det følgende forklares* den elektriske virkemåde nærmere under henvisning til fig. 2, der viser et elektrisk ækvivalentdiagram for det i fig. 1 viste mekaniske 3-trins filter.

Det i fig. 2 viste elektriske ækvivalentdiagram er i overensstemmelse med det i fig. 1 viste kompletteret på indgangssiden med en fødekreds, som indeholder generatoren G og formodstanden Ri og på udgangssiden meden målemodtager M, som har en formodstand R2 og er forbundet med en frekvenstæller Z. Det i fig. 1 viste 7 143927 mekaniske filter kan repræsenteres ved den i fig. 2 viste og imellem indgangsklemmerne 5 og 8 og udgangsklemmerne 5' og 8' liggende firpol. Den som kombinationsvibrator udformede resonator 2 ækvivaleres ved en i længdelederen liggende serieresonanskreds V med komponenterne Cl og LI, medens den midterste resonator 9 repræsenteres af en serieresonanskreds 9' bestående af selvinduktio nen L9 og kapaciteten C9. Den anden som kombinationsvibrator udformede ydre resonator 2' repræsenteres ved en i længdelederen indskudt og efter serieresonanskredsen 9' følgende serieresonanskreds V bestående af en kapacitet C2 og en selvinduktion L2.

Ved indgangen af denne firpol ligger der i en tværgren en kapacitet Cpl og på udgangen en anden kapacitet Cp2. Disse kapaciteter svarer til de elektrostriktive transorer 4 og 4'"s statiske kapaciteter. Imellem resonanskredsene V, 9' og V ligger der i en tværgren en koblingskondensator Ck, som ækvivalerer virkningen af koblingstrådene 1. Firpolens indgang og udgang er hver shuntet af en spole henholdsvis 10 og 10', hvis selvinduktion er valgt således, at spolerne hver for sig sammen med kapaciteten Cpl eller Cp2 danner en som klemmekreds virkende parallelresonanskreds, der er afstemt til ønskefrekvensen for den midterste resonator 9, således som det kendes fra det tyske patentskrift 1.245.507. For ønskefrekvensen for den midterste resonator 9's vedkommende er maskerne I og II da adskilt fra den øvrige firpolkreds, idet klemmekredsene ved denne frekvens bliver højohmske og således, at en vekselstrøm med denne frekvens, som påtrykkes klemmerne 5 og 8, afskæres.

Ved tilsvarende højohmsk fødning over generatoren g og modstanden RI, der i det viste udførelseseksempel kan have en modstands·* værdi på ca. 100 kohm,bliver resonatoren 2 nu som følge af den ved klemmekredsen afstedkomne dæmpning påvirket til med en ringe godhed at svinge med den midterste resonator 9's ønskefrekvens. Som det fremgår af tegningen bringes den inderste resonator til at svinge med høj godhed via koblingstråden 1 eller via den i ækvivalent-diagrammet i en tværgren viste koblingskondensator Ck. Den over den anden koblingskondensator Ck til serieresonanskredsen 9’ koblede elektrisk klemte serieresonanskreds V bringes nu med ringe godhed til at svinge med en frekvens, der stemmer overens med resonanskredsen 9''s frekvens, og som på udgangssiden måles ved hjælp af den højohmske målekreds.

Såfremt udgangstransoren 4' f.eks. ikke er tilgængelig for en måleanordning, kan egenfrekvensen for den resonator 9, der skal

Claims (2)

1. 8 143927 afstemmes/ også, således som det er vist i fig. 3, måles ved hjælp af en i fødekredsen indskudt målekreds. I fig. 3 er der for dette tilfælde vist en egnet indgangskreds, som er tilsluttet imellem klemmerne 5 og 8, og som skal erstatte den i figurerne 1 og 2 viste indgangskreds. Der er her indskudt en målekreds i den fødekreds, der består af en serieforbindelse af en generator G og en modstand RI, hvilken målekreds består af en i serie med generatoren G forbundet modstand R2 og en parallelt hermed koblet målemodtager M, som er tilsluttet en frekvenstæller Z. Koblingen ifølge opfindelsen kan også anvendes på vibratorer, hvis naboresonatorer ikke er forsynede med transorele-menter. I dette tilfælde fremkommer der, når f.eks. en naboresonator ikke er udstyret med transorelementer, i ledningsevnediagrammet imellem to ydre til. klemmekredsenes resonansfrekvenser svarende maksimumværdier for ledningsevnen to indre maksimumværdier for ledningsevnen , som svarer til resonansfrekvenserne for de resonatorer, der ikke er udstyret med transorelementer. Disse nabo-ledningsevne-maxima.-udviser en bestemt mindste, afstand Δί, Koblingen ifølge opfindelsen egner sig tillige for mekaniske filtre, der blot består af to indbyrdes koblede mekaniske resonatorer, og hvor indgangs- og udgangstransorelementerne er anbragt på den ene af disse resonatorer.
2. 1. Kobling til resonansfrekvensmåling ved frekvensafstemning af filterresonatorer i et elektromekanisk filter, hvor frekvensaf-stemningen sker ved reguleret fjernelse af resonatormateriale i afhængighed af en ved en ønske/øjebliksfrekvenssammenligning frembragt differensfrekvens, og hvor filteret indeholder mindst to mekanisk koblede mekaniske resonatorer (2, 2', 9), hvoraf mindst én resonator (2, 2') er forsynet med mindst den ene af to elektrostriktivt virkende elektromekaniske transorer (4, 4'), og mindst én resonator (9) ikke indeholder en sådan transor, og hvor der med hver af de elektromekaniske transorer (4, 4') er parallelkoblet en spole (10,10'), der fortrinsvis er udført som variabel selvinduktion og ved hjælp af en kondensator med variabel kapacitet kan være kompletteret til en parallelresonanskreds, hvilken spole har en sådan selvinduktionsværdi, at denne sammen med den pågældende elektromekaniske transors (4,4') statiske kapacitet danner en til ønskefrekvensen