SU1040595A1

SU1040595A1 - Differential piezoelectric displacement transducer

Info

Publication number: SU1040595A1
Application number: SU813249425A
Authority: SU
Inventors: Владимир Яковлевич Баржин; Федор Федорович Колпаков; Евгений Алексеевич Милькевич; Олег Александрович Мещеряков
Original assignee: Харьковский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Н.Е.Жуковского; Предприятие П/Я М-5068
Priority date: 1981-02-16
Filing date: 1981-02-16
Publication date: 1983-09-07

Abstract

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, сод жащ1й чувствительньй элемент в ввде двуз резонаторов, расположенньпс на пьезоэлектрическом бруске и соединенных соответственно с первым входом первого и второго автогенераторов, выходы, которых через фазовый детектор по.оключены к входу фильтра нижних частот, выход которого соединен с выходной клеммой и с входами первого и второго усжлителей, выходы которых подключены соответственно к вторым входам первого и второго автогенераторов, .о тличающий - с тем, что, с целью повышени точнос ти преобразовани и расширени области его применени путем обеспечени возможности определени направлешш переме .щенки, пьезоэлектрический брусок чувствительного элемоата закреплен- на исследуемом объекте, а первью электроды резонаторов чувствительного элемента образованы металличёЬкими пластинами, установле ННыми соосжо друг с другом и неподвижно относительно одних противолежшаих граней пьезоэпвстрического бруска , симметрично его оси, вторые 9пектро ды офазовацы метафгазированными поверхност ми сквозной пр моугога ной , вьшолненнсА вдоль диагонали, других противолежащих граней пьезоэлектри- р ,ческого . ;е :п тDIFFERENTIAL PIEZOELECTRIC DISPLACEMENT CONVERTER, containing a sensitive element in a two-way resonators, located on the piezoelectric bar and connected respectively to the first input of the first and second autogenerators, the outputs, which are using the same keys, they are using the same keys, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same, they are the same. and with the inputs of the first and second accelerators, the outputs of which are connected respectively to the second inputs of the first and second autogenerators. , in order to improve the accuracy of the transformation and expand its area of application by allowing the determination of the direction of the displacement, the piezoelectric bar of the sensitive element is fixed to the object under study, and the first electrodes of the sensitive element resonators are formed by metal plates that are fixed to each other and fixedly relative to one of the opposite faces of the piezoelectric strip, symmetrically to its axis, the second 9 spectrodes of the course are metaphasic surfaces E through direct mougoga hydrochloric, vsholnennsA along diagonally opposed faces other piezoelectric p Český. ; e: pt

Description

иг. /ig. /

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовено в пьезоэлект .рнческих авухпараметрических измерительных преобразовател х перемещений и температуры.5 The invention relates to a measurement technique and can be used in piezoelectric, avuhparametricheskih measuring transducers of displacements and temperatures.5

Известен дифференциальный пьезоэлектрнческий преофазователь перемещений, сод жащий чувствительны элемент в виде двух резонаторов, выполненных в пьезоэлектрическом бруске 1 A known differential piezoelectric displacement preofazovatelya, containing the sensitive element in the form of two resonators made in the piezoelectric bar 1

Недостаткс л указанного чувствительного элеМёйта вл етс низка точность преобразовани механических возд ствйй в электрический сигнал, величина которого не отражает зависимости is свойств чувствительного элемшта от температуры.The disadvantage of the specified sensing element is the low accuracy of conversion of mechanical influences into an electrical signal, the magnitude of which does not reflect the dependence of the properties of the sensing element on temperature.

Наиболее близким к предлагаемому вл етс дифференциальный пьезоэлектрический гфеобразователь перемещений, со- 20 держащий смеситель, чувствительный апемент в ввде двух резонаторов, расположенных на пьезоэлектрическом бруске и соединенных соответственно с первыми входами первого и второго автогене- 25 раторов, выходы которых через соответствукшне коммутаторы и фазовый детектор подключены к входу фильтра нихошх частот .выхо д которого соединен с выходной клеммой и с входили первого и второго уси- зо питепей, выходы которых подключены соответственно к вторым входам первого и второго автогенераторов, а коммутаторы подключены к тактовому генератору 2,The closest to the proposed one is a differential piezoelectric displacement generator, containing a mixer, a sensitive phase in the input of two resonators located on the piezoelectric bar and connected respectively to the first inputs of the first and second autogenerators, the outputs of which are through the corresponding switches and phase detector connected to the input of the filter of their frequencies. The output of which is connected to the output terminal and with the first and second connections of which the outputs are connected respectively to the second inputs of the first and second oscillators, and switches connected to the timing generator 2,

Недостатками известного устройства 35 вл ютс невысока точность измерени пер ъ Ёшений и невозможность определешс направлени этих пераъ1ещений. Это обусловлено тем, что в этом устройстве: необходимо променогточное преобразовани перемеш ше - сила, которое вносит в результат дополнительную погрешность за счет непосто нства силовых характеристик как в диапазоне изменени п емешешш, так и в диапазоне температур. Кроме того, в случае маломощного источника перемещений такое преофазование (пер««гвщение - сила) моЖ1ет оказатьс или вообще невозможным, или будет обеспечивать малые диапазоны50The disadvantages of the known device 35 are the low accuracy of measurement of projections and the impossibility of determining the directions of these trans- missions. This is due to the fact that in this device: progenogram transformation is needed, which is higher than the force — which adds to the result an additional error due to the instability of the power characteristics both in the range of variation of the temperature and in the range of temperatures. In addition, in the case of a low-power source of displacements, such pre-phasing (trans "power - force") can be either impossible at all, or will provide small ranges.

йзмене1ш собственных частот пьезорезонаторов , а следовательно, и разности частоы , что также существенно снижает точость измерений.Examination of the natural frequencies of piezoresonators, and consequently, differences are often, which also significantly reduces the accuracy of measurements.

Цель изобретеюш - повьлиение точости преобразовани и расширение обласи его применени путем обеспечени The purpose of the invention is to increase the accuracy of the conversion and the expansion of its application by providing

возь ожности определени направлени перемещений.Ability to determine the direction of movement.

Поставленна цель достигаетс тем, что в дифф енциальном пьезоэлектрическом преофазователе перемещений, содер«щцол чувствительный элемент в виде двух резонаторов, расположенных на пьезоэлектрическом бруске и соединенных соответственно с первым входом первого и второго автогенераторов, выходы которых через фазовый детектор подключены к входу фильтра нижних частот, выход которого соединен с выходной клеммой и с входами первого и второго усилителей , выходы которых подключены cooTBetственно к BTopbiM входам первого и второго автогенераторов, пьезоэлектрически брусок чувствительного элемента закреплен на исследуемом объекте, а первые электроды резонаторов чувствительного элемента офазованы металлическим пластинами, установленными соосно друг с другом и неподвижно относительно одних противолежащих граней пьезоэлектрического бруска, симметрично его оси, вторые электроды офазованы. металш1зированными пов хност ми сквозной пр моугольной щели, вьшолненной В|доль диагонали других противолежащих граней пьезоэлектрического бруска.The goal is achieved by the fact that in the differential piezoelectric displacement pre-phaser there is a sensor element in the form of two resonators located on the piezoelectric bar and connected respectively to the first input of the first and second autogenerators, whose outputs through the phase detector are connected to the input of the low-pass filter, the output of which is connected to the output terminal and to the inputs of the first and second amplifiers, the outputs of which are connected cooTbetically to the BTopbiM inputs of the first and second oscillators In other words, the piezoelectric block of the sensitive element is fixed on the object under study, and the first electrodes of the sensitive element resonators are metal plates mounted coaxially with each other and stationary relative to some opposite faces of the piezoelectric bar, symmetrically to its axis, the second electrodes are endowed. metal surfaces of a through rectangular slot in a wider diagonal of the other opposite faces of the piezoelectric bar.

На фиг. I изображен предлагаемый преобразователь перемещений; на фиг. 2 чувствительный эпемект,FIG. I depicts the proposed displacement transducer; in fig. 2 sensitive epemekt,

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь перемещений (фиг. I) содержит автогенератсфы I и 2, фазовый детектор 3, усилители 4 и 6, фильтр 6 нижних частот, исследуемый объект 7, чувствительный элемент 8 (фиг. 2) который содержит пьезоэлектрический брусок 9, сквозную пр моугольную щель 10, металлизированные поверхности tl и 12, которые образуют электроды резонаторов, металлические пластины 13 и 14, образующие другие электроды резонаторов и креп щиес с держателей 15 и 16.The differential piezoelectric displacement transducer (Fig. I) contains autogenerators I and 2, phase detector 3, amplifiers 4 and 6, low-pass filter 6, object under study 7, sensitive element 8 (Fig. 2) which contains piezoelectric bar 9, through right-angled slot 10, metallized surfaces tl and 12, which form the electrodes of the resonators, metal plates 13 and 14, which form the other electrodes of the resonators and fasten from the holders 15 and 16.

Устройство работает следующим овразом .The device works as follows.

При перемещ ши исследуемого объекта Т измен ютс разонансные частоты f и i-z обоих резонаторов, включенных в схемы автогенераторов I и 2,When moving the object under study T, the resonant frequencies f and i-z of both resonators included in the auto-oscillator circuits I and 2 change,

1 О4 fg fr1 O4 fg fr

2. 2

где К :,т и К 27 - коэффициенты температурной чувствительности частоты резонаторов; Кле и К2е - Коэффициенты чувствительности частоты к перемещени м.where K:, t and K 27 are the temperature sensitivity coefficients of the resonator frequency; Kle and K2e - Frequency sensitivity coefficients for displacement.

Поскольку оба резонатора вьтолнены в j монолитном бруске 9, то коэффициенты К,(-,-, и KjT оказываютс равными межау собой J а резонансные частоты измен ютс в св зи с изменением то;нцины активной области упругих толщинносдвиговых Q колебаний (тфи перемещение объекта), котора заключена .дл каждого резонатора между неподвижными пластинами 13 . (14) и соответствующим участком металлизированной поверхности II (t2). Увели ) 5 чение толщины активной области одного резонатора и уменьшение у другого вызывает изменение знака рассогласовани частот i и 2 так, что при противоположных смещени х объекта 7 оно сорт-20 Ветственно равно Д- i.. иSince both resonators are made in j monolithic bar 9, the coefficients K, (-, -, and KjT turn out to be equal to each other J and the resonant frequencies change due to the change in the active thickness of shear Q oscillations (tfi displacement of the object) which is enclosed for each resonator between the fixed plates 13. (14) and the corresponding section of the metallized surface II (t2). Increasing the thickness of the active region of one resonator and decreasing the other causes a change in the mismatch sign of the frequencies i and 2 tons so that with the opposite displacements of the object 7 it is grade-20

ii.-t ii i2 дает ВОЗМОЖНОСТЬ определить направление .перем&аеНИН объекта 7,,ii.-t ii i2 gives the POSSIBILITY to determine the direction of the &

При перемещении объекта 7 преобразо- 25 ватель работает в режиме биений на частоте Ai i А- t,2 зависимости от знака мгновенного значени напр жени , биений на выходе детектора 3 разность меншу частотами автогенераторов I и 2. JQ измен етс , что приводит к неодинаковой длительности положительнойи отрицательной полуволн и к образованию на выходе детектора 3 посто нной составл ющей напр жени , котора через фильтр ® , и усилители 4 и 5 с разноименными знаками коэффициентов в передаче на управл ющие входы автогенераторов I и 2 снижает частоту биений до нул . Л When the object is moved 7, the converter operates in the beat mode at the frequency Ai i A- t, 2 depending on the sign of the instantaneous value of the voltage, the beating at the output of the detector 3, the difference is the frequency of the oscillators I and 2. JQ changes, which leads to uneven the duration of the positive and negative half-waves and to the formation at the output of the detector 3 a constant component of the voltage that through the filter ®, and amplifiers 4 and 5 with opposite signs of coefficients in the transmission to the control inputs of the autogenerators I and 2 reduces the frequency to zero. L

При этом на выходе любого автогене ратора имеем сигнал, пропорциональный воздействующей температуреIn this case, at the output of any autogenous generator, we have a signal proportional to the temperature

-ioar 2e- V На выходе фильтра 6 уровень посто нного напр жени пропорционален разности частотД Ij/ , котора определ етс только величиной перемещений объекта 7 и вл етс линейной функцией этих перемещений -ioar 2e- V At the output of the filter 6, the level of the constant voltage is proportional to the difference in frequencies Ij /, which is determined only by the amount of movement of the object 7 and is a linear function of these movements

f n -f ioi-ioiV kr Отрицательна или положительна величины напр жени на выходе детектора 3 будут соответствовать знакам рассогласовани частотf n -f ioi-ioiV kr Negative or positive voltage values at the output of the detector 3 will correspond to the signs of the frequency mismatch

-Ul-i2l --U A.)b-Ul-i2l --U A.) b

ФАF

что указывает на направление перемещени .which indicates the direction of movement.

Таким образом, изобретение дает возможность повысить точность преобразовани величины перемацени в электрический сигнал, так как предлагаема конструкци чувствительного элемента обеспечивает достижение равенства 2, const во всем диапазоне изменени величины переметцений Е , и расширить футпсциональные возможнос,ти конструкции за счет огфеделенн направлени перемещений .Thus, the invention makes it possible to improve the accuracy of converting the value of re-exchange into an electrical signal, since the proposed design of the sensing element ensures equality of 2, const in the entire range of change in the size of pemetration E, and expand functional possibilities due to the direction of movement.

Claims

A DIFFERENTIAL PIEZOELECTRIC MOVEMENT CONVERTER containing a sensing element in the form of two resonators located on a piezoelectric bar and connected respectively to the first input of the first and second oscillators, the outputs of which are connected through the phase detector to the input of the low-pass filter, the output of which is connected to the output terminal the first and second amplifiers, the outputs of which are connected respectively to the second inputs of the first and second oscillators, which is different from me in that, with the goal increasing the conversion accuracy and expanding the scope of its application by providing the ability to determine the direction of movement, the piezoelectric bar of the sensitive element is fixed on the object under study, and the first electrodes of the resonators of the sensitive element are formed by metal plates mounted coaxially with each other and motionless relative to some opposite faces of the piezoelectric beam- ( symmetrically axis, the second electrodes of azo are metallized through surfaces ryamougolnoy: cracks formed along the diagonal of the other of the opposite faces pezoelektri.cheskogo bar.

SJLL, 1,040595.,

FIG. !

1040595 2