SU1275231A1 - Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и позвол ет повысить точность измерений. С высокочастотного генератора 1 колебание поступает на измерительный преобразо-г ватель 2. Электрические колебани  во встречно-штыревых преобразовател х 5 и 6 преобразуютс  в поверхностноакустические волны, распростран ющиес  в мембране 4, а во встречно-штыревых преобразовател х 7 и 8 происходит обратное преобразование. При воздействии давлени  и температуры мембрана 4 испытывает механические и

Description

температурные деформации, что приводит к изменению пути распространени  поверхностей акустической волны в лини х 19 и 20 задержки, нанесенный на обе стороны мембраны 4, и к изменению частот автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходах усилителей 13 и 18. В результате измен ютс  фазовые сдвиги в лини х 19 и 20 задержек и частота автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходе усилител  25. По изменению частоты колебаний на выходе усилител  18 суд т об изменении измер емой температуры , а по изменению частоты колебаний на выходе усилител  25 определ ют изменение измер емого давлени . 1 ил.

Изобретение относитс  к контроль но-измерительной технике и может быть использовано в акустозлектронных измерительных устройствах в качестве двухпараметровых датчиков дл  одновременного измерени  давлени  и температуры . Целью изобретени   вл етс  повыше ние точности измерений. На чертеже представлена структурна  схема дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразовател  . Устройство содержит высокочастот ный генератор 1 и измерительный преобразователь 2, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины 3 с мембраной 4 по центру. На обеих сторонах мембраны 4 нанесены по две пары встречно-штыревых преобразователей, причем противолежащие ВШП 5 и 6  вл ютс  входными, а встречно-штыревые преобразователи ВШП 7 и 8 )зыходными . Входные встречно-штыревые преобразователи 5 и 6 подключены к высокочастотному генератору 1„ Устройство содержит также последовательно соединенные четьфе смесител  9-12 и усилитель 13, выход которого подключен к первому входу первого смесител  9, последовательно соединенные четыре смесител  14-17 и второй усилитель 18, выход которого подключен к первому входу п того смесител  14, две линии 19 и 20 задержки и последовательно соединенные четьгре смесител  21-24 и третий усилитель-25 , выход которого подключен к первому входу дев того 21 смесител . Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9, третьего 11, п того 14 и седьмого 16 смесителей. Вторые входы второго 10 и шестого 15 смесителей соединены с выходным 8 встречно-штыревым преобразователем, а вторые входы четвертого 12 и восьмого 17смесителей соединены с выходным 7 встречно-штыревым преобразователем. Выход первого усилител  13 соединен непосредственно с вторым входом дев того 21 и через, первую линию 19 задержки с вторым входом дес того 22 смесителей. Выход второго усилител  18соединен непосредственно с вторым входом двенадцатого 24 и через вторую линию 20 задержки с вторым входом одиннадцатого 23 смесителей. Смесители 9-12, 14-17и21-24 выполнены однополосными, На выходах смесителей выдел ют колебани  либо, суммарной, либо разностной частоты путем использовани  в них фильтровых или фазокомпенсационных узлов подавлени  нежелательных колебаний. Причем первый 9, второй 10, четвертый 12, шестой 15, восьмой 17, дес тьй 22 и двенадцатый 24 выполнены вычитающими - на их выходах выдел ют колебани  разностных частот; тре тий 11., п тый 14, седьмой 16, дев тью 21 и одиннадцатый 23 выполнены суммирующими - на их выходах выдел ют колебани  суммарных частот. Противолежащие ВШП 5, 6 и 7, 8 располо жены на одинаковом рассто нии от центра пластины 3, ВШП 5, 7 и 6, 8 образуют две линии задержки на поверхностных акустических волнах.

Устройство работает следующим образом ,

С высокочастотного генератора 1 колебание с частотой поступает на измерительный преобразователь 2, Электрические колебани  -в входных встречно-штыревых преобразователей 5 и 6 преобразуютс  в поверхностноакустические волны, распростран ющиес  на верхней и нижней сторонах мембраны 4 в обеих лини х задержки, одновременно. В выходных встречноштыревых преобразовател х 7 и 8 происходит обратное преобразование поверхностной акустической волны в электрические колебани . При номинальных значени х силового воздействи  и тe fпepaтypы колебани  выдел емые на выходных встречно-штыревых преобразовател х 7 и 3 сдвинуты на фазу по отношению к колебани м , прикладываемым к входным встрёчно-штьфевых преобразователей 5 и 6

соответственно на величины

(1)

йСр, ЛС|р + йЦ)+йС|) ;

йM2 -йMp йq.-лcpt., (г)

где utPp - фазовый набег,обусловленный силовым воздействием измер емого давлени  на мембрану;

uff фазовьм набег,обусловленный расширением мембраны при температурном воздействии;

йср - фазовый набег,обусловленный вспучиванием (изгибом при температурном воздействии .

При воздействии давлени  и температуры мембрана 4 испытывает механические и температурные деформации одновременно, что приводит к изменению ее геометрии, и, следовательно, к изменению пути f распространени  поверхностной акустической волны в лини х задержки. При этом приращени  распространени  поверхностной акустической волны, обусловленные воздействием давлени  Р на верхней и нижней сторонах мембраны 4 одинаковы по абсолютной величине,но .противоположны по знаку и,соответственно изменени  времени задер жки сигнала в лини х задержки одинаковы,но

противоположны по знаку и составл ют величинуйбр

i-.

где V - скорость распространени  по верхностной акустической волны. Это обуславливает равные по величине,но ±&Cpp tG3ocp

фаз колебаний, снимаемых с выходных

7и 8 встречно-штыревых преобразователей . В то же врем  температурные воздействи  вызывают как расширение (сжатие), так и вспучивание (изгиб) мембраны 4, а также отклонение скорости распространени  AV поверхностно-акустической волны. Деформаци  расширени  - сж&ти  и отклонение скорости распространени  поверхностной акустической волны обуславливают равные по величине и по знаку отклонени  времени задержки сигнала й в обеих лини х задержки

8силу этого температурные отклонени  ut|, фаз колебаний, снимаемых

с выходных 7 и 8 встречно-штыревых преобразователей равны по величине и одинаковы по знаку. Кроме того происходит также отклонение фаз Ц), колебаний на выходных 7 и 8 встречноштыревых преобразователей, обусловленные термическим вспучиванием (изгибом ) мембраны 4 при жестком закрепIлении ее в корпусе или при градиента температуры вдоль ее поверхности.Эти отклонени  также как и.при воздействии давлени , равны по величине, но противоположны по знаку по верхней и нижней сторонах мембраны.

С выхода генератора 1 колебание с частотой fg и начальной фазой Cf поступает также на вторые входы смесителей 9, 11, 14 и 16. Б то же врем  колебание, снимаемое с выходного 7 встречно-штыревого преобразовател  и сдвинутое по фазе на величину йср, (выражение (1)) относительно колебани  на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 12 и 17, а колебание, снимаемое с выходного 8 встречно-штыревого преобразовател  и сдвинутое по фазе на величину ucpj (выражение (2)) относительно колебани  на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 10 и 15, Включенные в кольцевое соединение смесители 9-12 и первый усилитель 13 представл ют собой автогенераторный измерительный преобразователь, в котором происход т следующие преобразовани  сигналов , поступающих на вторые входы смесителей 9-12,- В стационарном режиме при выполйении условий балансафаз и амплитуд в автогенераторном измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальна  фаза которого на вькоде усилител  13 равны соответственно f и срд, , Колебание с выхода усилител  13 поступает на первый вход первого смесител  9, на выходе которого выдел етс  колебание с разностной

частотой fo foil и начальной фазой cf - срд . Это колебание поступает на первый вход второго, смесител  на второй вход которого поступает колебание с выходного 8 встречно-штыревого преобразовател  с частотой д и фазовым сдвигом ( t ЬЧ2 На выходе второго 10 смесител  выдел етс  колебание с разностной часто , той fо - (fо fa, ) fa, Фазовым сдвигом срд,+дср, cpc,,-uqip-t iiq -Acjt.

которое поступает на первый вход смесител  11, на второй вход которого поступает колебание с частотой f и начальной фазой , с выхода генератора 1, На выходе третьего 11 смесител  вьщел етс  колебание с суммарной частотой fo + foi и фазовым сдвигом + qa,, + q)Q ,,

I

которое поступает на первый вход четвертого 12 смесител , на второй вход которого поступает колебание с выходного 7 встречно-штыревого преобразовател . На выходе четвертого смесител  выдел етс  колебание с разностной частотой (fj, + fo| ) - f р и фазовым

сдвигом, cfд+дц -йс, Ч)д,-2йд)р-. 2 ACft . Следовательно, колебание на выходе

четвертого смесител  12 имеет ту же частоту ffj 5 что и колебание на первом входе первого смесител  9 и сдвинуто по фазе на величину -2дсрр- по отношению к колебанию на первом входепервого смесител  9. Цепочка: последовательно включенных смесителей 9-12 представл ет собой цепь обратной св зи первого усилител  13 в первом автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усилени  усилител  13 выполн етс  условие баланса амплитуд в первом автогенераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе первого усилител 

на основании услови  баланса равна

шТ +

.- - -

-34,

где m 1„ 3, 5,,. о при инвертировании сигнала в цепи, состо щей из последовательно включенных блоков 9 -- 13, и m 2, 4, 6,,., при отсутствии инвертировани  сигнала в цепи состо щей из последовательно (включенных блоков 9 - 13; - врем  запаздывани  сигнала в

первом усилителе 13. Включенные в кольцевое соединенне смесители 14 - Г/ и второй усилитель 18 представл ют собой второй автогенераторный измерительньй преобразователь , в котором происход т следующие преобразовани  сигналов, поступающие на вторые входы смесителей 14 17 . ,В ста1 ;ионарном режиме при вьшолнении условий баланса фаз и амплитуд во втором автогенераторном измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальна  фаза которого на выходе усилител  18 соответственно рс1вны fg и (fg , Колебание с выхода усилител  18 поступает на первый вход п того смесител  I4j, на второй вход которого поступает колебание с выхода генератора 1 с частотой fg и начальной фазой ср. На выходе п того смесител  14 выдел етс  колебание с суммарной частотой f(j + fg, и начальной фазой Q,, + .+ а .Это колебание поступает на пе|)вый вход шестого смесител  15, на второй вход которого поступает колебание с выходного 8 встречно-штыревого преобразовател  с частотой f и фазовым сдвигом iv +Aq. На выходе шестого 15 смесител  вьщел етс  колебание с разностной частотой ( - fo fa и фазовым сдвигом Срд Чр Ч-t которое поступает на первый вход седьмого смесител  16, на второй вход которого поступает колебание с частотой f, и начальной фазой ср с выхода генератора 1. На выходе седьмого смесител  16 выдел етс  колебание с суммарной частотой о фазовым сдвигом-q- -utpi+q o 4ai «-btpp- cpt + , которое поступает на первый вход восьмого 17 смесител . На второй вход смесител  17 поступает колебание с вьпсодного 7 встречно-шты ревого преобразовател  с частотой f и начальной фазой Cf -Atf, . На выходе смесител  17 выдел етс  колебание с разностной частотой (fg + f) - f fg и фазовым сдвигом tfaj-ЛСр -utp, ii(j -2uCf , Следовательно колебание на выходе восьмого смесител  1 имеет ту же частоту fg , что и колебани на первом входе п того смесител  14 и сдвинуто по фазе на величину -2лср по отношению к колебанию на первом входе п того смесител  14, Цепочка последовательно включенных смесителей 14 - 17 представл ет собой цепь обрат;ной .св зи второго усилител  18 во ; втором автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усилени  усилител  18 выполн етс  условие баланса амплитуд во втором АИП и частота колебаний на выходе второго усилител  18 на основании услови  баланса фаз равна + 2, (4) a ,--где n 1, 3, 5,.., йри инвертироваНИИ сигнала в цепи, состо щей из последовательно включенных блоков 14 - 18 и 2, 4, 6,... при отсутствии инвертировани  сигнала в цеписосто щей из последовательно .. ., -,., - врем  запаздывани  сигнала во I J э л втором усилителе 18. . Включенные в кольцевое соединение смесители 21 - 24 и третий усилитель 25 представл ют собой третий автогенераторный измерительный преобразователь , в котором происход т следующие преобразовани  сигналов, поступающие на вторые входы смесителей 21 - 24. В стационарном режиме при 45

вьтолнении условий баланса фаз и амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе-существует .автоколебание, частота и начальна  фаза которого на выходе усилител  25 соответственно равны fq и Срд КЬлебание с выхода усилител  25 поступает на первый вход дев того . 21 смесител , на второй вход которого поступает колебание с выхода первого усилител  13 с частотой f.

а, и начальной фазой Qa, . На выходе дев того смесител  21 вьщел етс  котретьем автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усилени  усилител  25 выполн етс  условие баланса амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе третьего усилител  25 на основании услови  баланса фаз равна

.2l.If «.. а Г,,)

(5)

3 лебание с суммарной частотой fg fa и начальной фазой Cfod+ Poij Это колебание поступает на первый вход дес того 22 смесител , на второй вход которого через линию 19 задержки поступает колебание с выхода первого усилител  13 с частотой fg и фазовым сдвигом срд + 2nfq c, , где о, - врем  задержки сигнала в линии 19 задержки. На выходе дес того 22 смесител  вьщел етс  колебание с разностной частотой (fg + ... f. + fa,) - fa и фазовым сдвигом ( 2irfa, -t которое поступает на первьй вход одиннадцатого смесител  23, на второй вход которого через линию 20 задержки поступает колебание с выхода второго усилител  18 с частотой f и фазовым сдвигом Cfa + 2Vfg.Z: , где-1 - врем  запаздывани  сигнала во второй линии 20 задержки. На выходе одиннадцатого смесител  23 выдел етс  колебание с суммарной частотой fg + fa- и фазовым сдвигом , + Ча - ioi , , которое поступает на первый вход двенадцатого смесител  24. На второй вход смесител  24 поступает колебание с выхода второго усилител  18 с частотой f и фазовым сдвигом Cf д , На выходе смесител  24 выдел етс  колебание с разностной частотой (fa, fa 7 fa fc, и фазовым сдвигом ( -/ .1 ЧА ) Л 9 Q,) . Следовательно, колебание на выходе двенадцатого смесител  24 имеет ту же частоту fg , что и колебание на первом входе дев того смесител  21 и сдвинуто по фазе на величину (fa-i. fa -) ° отношению к колебанию на первом входе дев того смесител  21. Цепочка поледовательно включенных смесителей 1-24 представл ет собой цепь обратной св зи третьего усилител  25 в где К 1, 3, 5,.,. при инвертировании сигнала в цепи, состо щей из последовательно вклю ченных блоков 21 - 25, и К 2, 4, 6,... при отсутствии инвертировани  сигнала в цепи , состо щей из последовател но включенных блоков 21 - 25 д - врем  запаздывани  сигнала в третьем усилителе 25. Фазовые сдвиги ЛЦ. и йср пред стащ1йютс  в следующем виде: фазовый коэффициент термогде С чувствительности поверхностной акустической волйы линии задержки; фазовый температурный коэф фициент силочувствительности поверхностной акустической волны линии задержки;25 изменении ut - приращение температуры. При выборе значени  времени запаздывани  сигнала С в первой линии задержки 19 в соответствии с условием utft Т сГзэ, ., ff - - .; частота колебаний на выходе третьего усилител  на основании выражений (3) (4) и (5) определ етс  в виде 1 .1 ,Эз Параметры k, m n, о . э-з, f ээ э Э9 ( С{. И С4 В процессе измерений остаютс  фиксированными и их значени  при известных структуре поверхностной акустической волны линии задержек, нанесенных на мембрану 4, и конструкции усилителей 13, 18 и 26 могут быть установлены. В силу этого частота колебаний на выходе второго усилите л  18, как следует из выражени  (4),

зависит только от значени  измер емой температуры. Частота колебаний на выходе третьего усилител  из выражени  (8), при этом зависит только от значени -измер емого давлени .

Claims (1)

1. В динамическом режиме изменени  Информационных параметров - температуры и давлени  - вызывает изменецентра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных встречно-штыревых преобразователей , выход генератора соединен с входными встречно-штьфевыми преобразовател ми и с вторыми входами первого , третьего, п того и седьмого смесителей , вторые входы второго ишесто-Ч 1О ние фазовых сдвигов (выражени  (1) . и (2) в поверхностной акустической волне в лини х 19 и 20 задержек, нанесенных на обе стороны мембраны приводит следовательно к изменению частот автоколебаний в первом и втором автогенераторном измерительном преобразователе на выходах соответственно первого 13 и второго 18 усилителей, Это приводит к изменению фазовых сдвигов в первой 19 и второй 20 лини х задержек и в конечном итоге к изменению частоты автоколебаний в третьем автогенераторном измерительном преобразоваг теле на выходе, третьего 25 усилител . В силу того, что параметры К, т, п, о„ не завис т от величины измер емых параметров (температуры и давлени , воздействующих на мембрану 4) по изменению частоты колебаний на в61ходе второго усилител  18 суд т об измер емой температуры,а по изменению частоты колебаний на выходе третьего усилител  25 определ ют изменение измер емого давлени . Формула изобретени  Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор , последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый смесители и усилитель, выходом подключенный к первому входу первого, а входом - к выходу четвертого сме. сител , последовательно соединенные п тый, шестой, седьмой и восьмой смесители и второй усилитель, выходом подключенный к первому входу п того , а входом - к выходу восьмого смесител , а также мембранный датчик на поверхностных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом рассто нии от

   го смесителей подключены к первому входному встречно-штыревому преобразвателю , а вторые входы четвертого и восьмого смесителей - к второму вы:ходному встречно-штыревому преобразователю , причем четвертый, п тый и седьмой смесители выполнены суммирующими , а второй, шестой и восьмой - вычитающими, отличающ и.й с   тем, что, с целью првышени  точности измерений, в него введены две линии задержки и последовательно соединенные дев тый, дес тый , одиннадцатьй и двенадцатью смесители и третий усилитель, выходом подключенный к первому входу дев того , а входом - к выходу двенадцатого смесител , при этом первый, дес тый и двенадцатый смесители вьтолнены вычитающими, а т ретий, дев тый и одиннадцатый - суммирующими , выход первого усилител  подключен к второму входу дев того смесител  и через первую линию задержки к второму входу дес того смесител , а выход второго усилител  подключен к второму входу двенадцатого и через ВТОРУЮ линию задержки к второму входу одиннадцатого смесител .