SU1008629A1 - Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь - Google Patents

Abstract

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий чувствительный элемент с пьезоразонатором , автогенератор, смеси- тель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилител , отли . «лГ.Гй S3v t--;Mu f-K . чающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  за счет учета градиента температур, в него введены два фильтра, два делител  частоты, второй автог:енератор и умножитель частоты,при этом автогенератор выполнен двухчастотным и двум  выходами соединен через фильтры с делител ми 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 управл ющие входы автогенератора, а выход одного делител  частоты дополнительно соединен с первым входом смесител , второй вход которого через умножитель сл частоты подключен к выходу второго автогенератора, смесител , входом с выходом фильтра нижних частг -

Description

00 О)

ю

со

Изобретение относитс  к техникв электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано дл  одновременного измерени  механических усилий и температуры.

Известен дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два дифференциально включенных пьезорезонатораС13.

Недостатком устройства  вл етс  невозможность одновременного измерени  силы и температуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь , содержащий чувствитель ный элемент с пьезорезонатором, автогенератор , смеситель, фазовый детектор , фильтр нижних частот и два усилител С2.

Достаточно сложна  конструкци  чувствительного элемента, а также имf2ЮIЦийc  градиент температур в чувствительном элементе не позвол ет добитьс  высокой точности измерений.

Цель изобретени  - повь иевие точ|ности измерени  за счет учета градиента температур.

Указанна  цель доатигаетс  тем, что в преобразователь введены два фильтра, два делител  частоты, вто , рой автогенератор и умножитель час тоты, при этом автогенератор выпол ней двухчастотным и двум  выходами соединен через фильтры с делител ми частоты, выходы которых подключены к :входам фазового детектора, а выход фазового детектора через фильтр нижних частот соединён с входами двух усилителей, выходы которых включены , на управл ющие входы автогенератора , а выход одного делител  час тоты дополнительно соединен с перBfcjM входом смесител , второй вход которого через умножитель частоты подключен к выходу второго автогенератора , св занного входом с выходом фильтра нижних частот.

На чертеже представлен преобразователь .

Преобразователь содержит чувствительный элемент 1 е пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к автогенератору 3. Выходы автогенератора 3 через фильтры 4 и 5, первый 4 из которых настроен на основную частоту пьезорезонатора 2 , а второй 5на его. ангармонику, св заны с входами делителей частоты б и 7 соответственно . Выходы делителей частоты б и 7 нагружены на входы фазового детектора 8, который св зан через фильтр 9 нижних частот с входами первого 10 и второго 11 усилителей, нагруженных своими выходами на управл юцие входы автогенератора 3. Выход фильтра 9 нижних частот также св зан с входом .второго автогенера;тора 12, подключенного через умножитель 13 к второму входу смесител  14, первый вход которого св зан с выходом второго делител .7 частоты .

Упругий элемент 1 находитс  под действием силового и температурного полей в точке измерени . 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 обеспечени  высокой линейности и крутизны преобразовани  температурно-частотных и сило-частотных характеристик как на основной частоте, так и на ангармонике, целесообразно применение в качестве пьезорезонатора 2 кварцевого резонатора LC-среза. Дл  резонаторов LC-среза изменением угла приложени  силы относительно кристаллографической оси 2 кварцевого резонатора можно добиватьс  различного ho величине и знаку коэффициента силовой чувствительности как на основной частоте, так и на ангармонике

В дифференциальном пьезоэлектрическом преобразователе необходимо обеспечивать определённое значение частот основного колебани  и побочного резонанса (ангармоники) пьезоре-г зонатора 2, а также выс.окое качество (добротность) ангармоники, т.е. необходимо уметь управл ть частотой и качеством не толькЪ основного, но и ангармонического резонанса пьезорезонатора .

Первое условие необходимо дл  обепечени  достаточно простого разделени  фильтрами 4 и 5 частот основного колебани  fg пьезорезонатора 2 и агармо1ники д на йыходе двухчастотног автогенератора 3, дл  чего частоты 0 и д должны быть достаточно разнесены на частотной оси (дл  частот f(j и д пор дка 5 10 Гц и при добротност х 1С-фильтров пор дка 100 этот разнос должен быть пор дка 100 кГц и выше).

Второе условие необходимо дл  обепечени  высокой стабильности частоты ангармоники так как в противном случае будет возрастать погрешность определени  измер емых температуры и силы из-за нестабильности частоты.

Экспериментальные исследовани  дл  кварцевых резонаторов на частоты 500 кГц - 5,5 МГц показали возмож-. ность.получений требуемого значени  частоты ангармоники, отличающеес  от основной на 20 кГц - 1 МГц путем изменени  геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора . Экспериментальные исследовани  показали также возможность раздельной подстройки частот основного и tjc)6o4Horo р зонансов no сравнению с расчешыми зн 1чени ми путем допылени  материала электрода или сн тием его части. Главной и принципиально необходимой особенностью кварцевого резонатора с ангармоникой дл  работы собственно дифференциального пьезоэлект рического преобразовател   вл етс  возможность, .варьиру  геометрией пьезоэлемента и электродов, варьировать величиной добротности как основ ного колебани , так и ангармоники. Это, в свою очередь,позвол ет.измен ть коэффициенты тензо- и термочувствйтельности как на основной час тоте, так и на ангармони.ке. Причина этого заключаетс  в том, что при изменении добротности измен ютс  вмест с сопротивлением Rn кварцевого резо натора также один или оба реактивных динамических параметра Ln и Сп кварцевого резонатора, которые, как известно, ответственньа как за -коэффициент термочувствительности, так и за коэффициент тензочувствительнос ТИ. .,,.,; Таким образом, имеетс  возможност управл ть частотами, качеством и ко фициентами термо- и тензочувствитель ности основного и побочного резонан . са (ангармоники) кварцевого резонатора . В преобра.зователе после фильтров 4 и 5, св занных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3. и настроенных на основную частоту пьезорезонатора 2 и его ангармонику f соответственно, имеютс  в зависимости от одновременно воздей- ., ствующих на упругий (чувствительный элемент 1 силы F и температуры Т частотные сигналы следующего вида; V- S i-T-v.o. )) где 4..,cfP.- коэффициенты преобразовани по температуре или коэффи.циентыГ температурной чувствительности (коэффициенты термочувствительности) СХ коэффициенты преобразоваНИН по силе или коэффициенты силовой чувствительно ти (коэффициенты тензочувс . витёльности); . - измер емые температура и сила (текущие}; Тд ,FO- координаты реперной точки в которой определ лись коэффициенты термо- и Q тензочувствительности; fg - частота основного колебани  в реперной точке; fд - частота ангармоники в реперной точке. Сигналы с выходов фильтров 4 и 5 поступают на входы делителей б и 7 частоты соответственно, на выходе которых приобретают следующий ,2lVL ) - - п i . 1 ) « V К2 К2 . где К и К2 - коэффициенты делени  делителей б и 7 частоты . Из-за различи  коэффициентов термо- и.тензочувствительности на основной частоте и побочном резонансе (ангармонике) пьезорезонатора 2, а, следовательно, Ъа счет ра:зности частот4f н 4 2 имеющейс  после фильтров 4 и 5 и делителей частоты 6 и 7, на выходе фаэ ового детектора 8, на входы которого нагружены выходы делителей частоты б и 7, наблюдаютс  биени , и в зависимости от знака,, мгновенного напр жени  биений разность между частотами f , и f2 то повышаетс , .то понижаетс , что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напр жени  биений. В результате этого на выходе фазового детектора 8 образуетс  посто нна  составл квда  напр жени  биений, причем тем больша , чем меньше начальна  расстройка частот и (асинхронный ;режим) . Коэффициенты делени  делителей частоты 6 и 7 выбираютс  такими, что; о 0 fH f. Посто нна  составл юща  с. выхода фазового детектора 8 подаетс  через фильтр 9 нижних частот на усилители 10 и 11 с соответствующими коэффициентами усилени : п° К УПТ 12 2 ; O-jjKg-a S УПТ 22jll. 2 о.2Ка-а22 Г Сигналы с усилителей 10 к 11 подаютс  на управл ющие входы управл емого напр жением двухчастотного автогенератора .3 и снижают частоту биений на выходе фазового детектора 8 до нул . В реальной системе ФАПЧ с Интегрирующим фильтром 9, если 4 Лf3 (f полоса захвата системы ФАПЧ )при любой фазе включени  режим биений становитс  апериоди геским и наступает захват частот fj| и f (синхронный режим ), устанав ливаетс  посто нна  разность фаз меж ду частотами, поступающими на вход фазового детектора, при этом: С03й6д -рI где /ufy - полоса удержани  системы ФАПЧ, и напр жение на выходе фазово го детектора будет также посто нно и пропорционально воздействующим на пьезорезонатор 2 температуре Т и силе F К 1 - T:hot Благодар  заранее известному выбо ру знака расстройки Af частот f и f2, а также величин коэффициентов передачи усилителей 10 и 11, а,следователь но, соответствующему изменению напр жений управлений и,в конечном счете частот двухчастотного а .генератора 3, частотные сигналы с выходов делителей б и частоты не только захватились и равны , но и пропорциональны только воз действующей температуре Т. Таким образом, действител ьно в синхронном режиме частотный сигнал с выхода каждого из делителей 6 и 7 частоты пропорционален только воздей ствующей температуре Т, однако-в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, изменилс  коэффициент пропорциональности по каждой из частот ct а° а . - „i 11 0,0 .( 0.0 k 2-1 12 2 72 в дальнейшем возникающа  при изменении измер емых Т и F дополнител на  расстройка частот двухчастотного автогенератора 3 и, следовательно , частот Ц и f приведет к изменению уровн  посто нного напр жени  на выходе фазового детектора 8 и фильтра 9 нижних частот. Если при возможных экстремальных расхождени х частот fJJ и f т.е. прк ° редел емых диапазонами возможных воздействующих (измер емых) сил и те ператур, расстройки лf К fH и &f2 2 - нт«Х|В о 1 з тогенератор 3, достаточны дл  полной компенсации .этих расхождений, то напр жение на выходе фильтра 9 нижних частот всегда будет пропорционально воздействующим на пьезорезонатор 2 силе F и температуре Т , а 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 объ сн етс  неидентичностью коэффициентов термочувствительности на основной частоте пьезорезонатора 2 и его ангармонике. Поэтому дл  разделени  информации о Т и F в пpeдлal a.eмoм устройстве сигнал о фильтра 9 нижних частот поступает также на управл емый напр жением автогенератор 12, на выходе которого имеем частотный сигнал К а с. а г- г .1II 2Кт-Т Ul-3. ±ilfp p V о/ДК Kj 0 Поскольку температурна  составл юща  в сигнале fg в К,раз меньше температурной составл ющей в сигнале f. 2 2«22 то между выходом автогенератора 12 и .вторым входом смесител  14 введен умножитель 13, частоты с коэффициентом умножени  К. Тогда частотный сигнал, поступающий на второй вход смесител  14,имеет следующий вид; . 1/2 / ( F 1 V-IVV-A .причем выбираетс  fn К fm. . - Vf WJ На первый вход смесител  14 по аетс  сигнал с выхода второго делител  7 частоты. Тогда на выходе смесител  14 при выделении разностной частоты fp будем иметь частотный сигнал, пропорциональный только измер емой силе , kkfkk,,.., .S-°aA ° Следовательно, в предлагаемом устройстве имеетс  возможность разделений информации о Т и F и представле|нии ее в-частотной форме. Кроме , в предлагаемом устройстве точностьем градиента температур, так и с

определени  воздействующих Т и F некоторыми другими факторами. гораздо выше, нежели в прототипе.Это Можно доказать, что погрешность

св зано как с использованием лишьизмерени  дл  случа  одновременноодного -пьезорезонатора, а ,следова-го измерени  двух параметров транстельно , с упрощением конструкции формируетс  дл  каждой составл ющей

чувствительного элемента и ртсутстви-Х Т и X2CF) следующим образом:

г ра t ма лт X Г /Лс 12°2 1i |-%- 22i /Kh--22feI . Г

)-«2t 12 -5r f Х 1«1. 11°22 -d

ДХ

2 J

Как показали эксперименты при изменении Т и F выполн ютс  соотноЛс ,,

шени : 4а z-i

с

а

22

21

12.

12 «12 j

что приводит к практически- полному отсутствию зависимости погрешностей от значений измер емых Т и F и к уменьшению самих реличин погрешностей .

Claims (1)

1. [54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗО-‘

   Электрический преобразователь, содержащий чувствительный элемент с пьезорезонатором, автогенератор, тель, фазовый детектор них частот смеси, фильтр нижи два усилителя, о т л и- >

   чающийся 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 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 частоты подключен к выходу второго автогенератора, смесителя,' входом с выходом фильтра нижних частг·