SU998978A1

SU998978A1 - Piezoresonance transducer dynamic characteristic determination method

Info

Publication number: SU998978A1
Application number: SU802947335A
Authority: SU
Inventors: Николай Александрович Ермолаев
Original assignee: Пензенский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского Технологического Института Приборостроения
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1983-02-23

Description

Иэобрзетение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл экспериментального определени динамических характеристик, например переходной характеристики, амплитудно и фазочастотных характеристикпьезорезонансных измерительных преобразователей, примен емых в пьезорезонансных датчиках, в управл емых кварцевых автогенераторах, а также в измерител х эквивалентных электрических параметров пьезорезрнаторов и т.д.The power output relates to measurement technology and can be used to experimentally determine dynamic characteristics, such as transient characteristics, amplitude and phase frequency characteristics of piezoresonant transducers used in piezoresonance sensors, in controlled quartz oscillators, and also in measuring equivalent electrical parameters of piezers. d.

Известен способ определени динамических характеристик измерительных преобразователей, основанный на , подаче на вход измерительного преобразовате .л известного испытательного сигнала и регистрации выходного сигнала преобразовател , по которому суд т об искомой динамической характеристике испытуемого преобразовател fl.A known method for determining the dynamic characteristics of the measuring transducers is based on inputting the measurement transducer to a known test signal and recording the output signal of the transducer, which is used to judge the desired dynamic response of the test transducer fl.

Недостатком этого способа вл етс сложность технической реализации , обусловленна необходимостью формировани испытательного сигнала с известными и неизменными в течение времени испытаний параметрами.The disadvantage of this method is the complexity of the technical implementation, due to the need to form a test signal with known and unchanged parameters during the test period.

Известен также способ экспериментального определени динамических характеристик измерительных преобразователей , основанный на сопоставлении входного и выходного сигналов испытуемого преобразовател , причем выхо(ной сигнал преобразовател перед сопрставлением подвергают частотному детектированию t2.There is also known a method of experimentally determining the dynamic characteristics of transducers, based on a comparison of the input and output signals of the transducer under test, the output signal of the transducer being subjected to frequency detection t2 before matching.

10ten

Недостатком данного способа вл етс невысока точность определени динамических характеристик- пьезорезонансных измерительных преобразователей . Действительно, при опреде15 лении, например, переходной характеристики измерительного преобразовател частоты последовательного резонанса пьезорезонаторов, выполненного в виде автогенератора, частота The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the dynamic characteristics of piezoresonant transducers. Indeed, when determining, for example, the transient response of a measuring transducer of the frequency of a series resonance of piezoresonators, made in the form of an auto-oscillator, the frequency

20 выходных колебаний которого стабилизируетс пьезорезонатором, согласно известному способу создают скачок частоты последовательного резонанса пьезорезонатора путем, например, The 20 output oscillations of which are stabilized by the piezoresonator, according to a known method, create a frequency jump of the serial resonance of the piezoresonator by, for example,

25 переноса последнего из одного термостата в другой с различными температурами термостатировани . а затем сопоставл ют известное значение разницы температур термостатов с полу30 ченным путем частотного детектиронани изменением частоты выходных колебаний испытуемого преобразовател . Однако, как видно на этом примере , с помощью известного способа оп редел ют не искомую переходную хара . теристику пьезорезонансного измери|гельного преобразовател , а сутимарн {переходную характеристику, включающую в себ также переходную характе ристику термочувствительности пьезе резонатора. Поскольку посто нна те ловой инерции пьезорезонаторов весь велика(пор дка нескольких дес тков секунд), то определение динамически характеристик пьезорезонансных изме тельных преобразователей известным способом св зано с существенными по решност ми. Кроме того, применение известног способа обусловливает физическое не электрическое воздействие испытател ным сигналом на пьезорезонатор. Так как формирование испытательных сигналов определеннойформы неэлектрической ( например, тепловой, механической природы (сложнее получени электрических испытательных сигнало то известный способ определени динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразо вателей весьма сложен в технической реализации. Целью изобретени вл етс повышение точности и упрощение способа определени динамических характерно тик пьезорезонансных измерительных преоб|зазователей. Указанна цель достигаетс тем, что согласно способу определени динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей , заключающемус в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходного сигналов испытуемого преобразовател , измен ют по закону изменени испытательного сигнала уровень возбуждени , например амплитуду колеба ний пьезорезонатора, выходной сигнал испытуемого преобразовател подвергают амплитудному детектированию, а результат амплитудного детектировани сопоставл ют с результатом частотного детектировани . Наиболее просто пpeдлaгae ый способ может быть реализован при определении динамических характеристик пьеэорезонансных измерительных преобразователей , снабженных устройствами автоматической регулировки уров н возбуждени пьезорезонаторов. На чертеже приведена функциональна электрическг схема измерений по предлагаемому способу на примере определени амплитудно- и фазочастот ных характеристик измерительного преобразовател частоты последовательного резонанса пьезорезонаторов. Устройство, реализунвдее способ, содержит иcпытye ftлй преобразователь 1, выполненый, например по схеме автогенератора на операционном: усилителе 2, охваченный положительной (пьезорезонатор 3 и резистор 4) и отрицательной ( резистор 5 и управл емый резистор 6) обратными св з ми, с цепью автоматической регулировки уровн (АРУ) возбуждени (амплитуды напр жени ) пьезорезонатора 3, составл ющий из усилител 7, выпр мител 8, источника 9 опорного напр жени и сумматора-10, на .-.вход которого подаетс испытательный сигнал и частотный 11 и амплитудный 12 детекторы выходного напр жени и.. .. испытуемого преобразовател 1 и блок 13 сопоставлени результата амплитудного детектировани с результатом частотного детектировани . Дл определени амплитудно- и фазочастотных характеристик испытуемого преобразовател 1 на вход сумматора .10 подаетс испытательный сигнал в виде переменного гармонического напр жени . U,-UioCOSSH:(1) С посто нной амплитудой i COnst и измен ющейс частотой 51 Va. Цепь АРУ обеспечивает изменение амплитуды напр жени на выходе операционного усилител 2 по закону (а-Ь + APv), где К. и Чдр коэффициент пропорциональности и сдвиг фаз, определ емые параметрами цепи АРУ. При этом с1мплитуда напр жени на пьезорезонаторе 3 будет измен тьс следующим образом %0--V:2U2.o--fc-|KiU,oCOe(ftt + ), (3 где К,Rnpi 4 соответственно сопротивлени пьезорезонатора 3 и резистора 4. Вследствие эффекта неизохронности , т.е. зависимости частоты колебаний пьезорезонатора 3 от амплитуды колебаний, частота последовательного резонанса (S)&yi пьезорезонатора 3 в первом приближении будет определ тьс выражением )i +l bU%o) u;otl4K kiK U oCos( APv)3, где Шд- частота последовательного резонанса невозмущенного ( при Ujo 0) пьезорезонатора 3;, К - коэффициент неизохронности. Таким образом, входной сигнал испытуемого преобразовател 1, которым вл етс частота последовательного резонанса Шу( пьезорезонатора 3, будет измен тьс по SBKOHV изменени испытательного сигнала (.1) .25 transferring the latter from one thermostat to another with different thermostatic temperatures. and then the known value of the temperature difference between the thermostats is compared with the frequency detection method obtained by varying the frequency of the output oscillations of the transducer under test. However, as can be seen in this example, the unknown transitional hara is determined using a known method. the characteristics of the piezoresonance measuring transducer, and the essence {transient response, which also includes the transient response of the thermal sensitivity of the piezo resonator. Since the constant body inertia of piezoresonators is all large (on the order of several tens of seconds), the determination of the dynamic characteristics of piezoresonance measuring transducers in a known manner is associated with significant solutions. In addition, the application of the known method determines the physical non-electrical effect of the test signal on the piezoresonator. Since the formation of test signals of a certain form of non-electric (for example, thermal, mechanical nature (more difficult to obtain electrical test signals), the known method of determining the dynamic characteristics of piezoresonant transducers is very difficult in technical implementation. The purpose of the invention is to improve the accuracy and simplify the method of determining the dynamic characteristics of piezoresonance ticks measuring transducers. This goal is achieved by the fact that, according to To determine the dynamic characteristics of piezoresonance transducers, which involves comparing the input and frequency-detected output signals of a transducer under test, changes the excitation level of the test signal, for example, the amplitude of oscillations of the piezoresonator, the output signal of the transducer under test is subjected to amplitude detection. with the result of frequency detection. The simplest method can be implemented when determining the dynamic characteristics of piezoelectric resonance transducers equipped with devices for automatically adjusting the excitation level of piezoresonators. The drawing shows a functional electrical measurement scheme for the proposed method on the example of determining the amplitude and phase-frequency characteristics of a measuring transducer of the serial resonance of piezoresonators. The device, implemented in the method, contains the test converter 1, made, for example, according to the oscillator circuit on the operational: amplifier 2, covered by positive (piezoresonator 3 and resistor 4) and negative (resistor 5 and controlled resistor 6) feedback links automatic adjustment (AGC) of the excitation (voltage amplitude) of the piezoresonator 3, which consists of amplifier 7, rectifier 8, source 9 of the reference voltage and adder-10, to the input of which a test signal and frequency 11 and amplitude 12 detectors of the output voltage and .. .. of the transducer 1 under test, and block 13 of the amplitude detection result mapping with the frequency detection result. To determine the amplitude and phase-frequency characteristics of test transducer 1, a test signal in the form of an alternating harmonic voltage is applied to the input of the adder .10. U, -UioCOSSH: (1) With a constant amplitude of i COnst and a variable frequency of 51 Va. The AGC circuit provides a change in the amplitude of the voltage at the output of the operational amplifier 2 according to the law (a-L + APv), where K. and Chdr are the proportionality coefficient and phase shift determined by the parameters of the AGC circuit. At the same time, the voltage across the piezoresonator 3 will change as follows:% 0 - V: 2U2.o - fc- | KiU, oCOe (ftt +), (3 where K, Rnpi 4, respectively, resistances of the piezoresonator 3 and resistor 4. Due to the effect of non-isochronism, i.e. the dependence of the oscillation frequency of the piezoresonator 3 on the amplitude of oscillations, the frequency of the series resonance (S) & yi of the piezoresonator 3 will be determined in the first approximation by the expression) i + l bU% o) u; otl4K kiK U oCos ( APv) 3, where Shd is the frequency of the series resonance of the unperturbed (with Ujo 0) piezoresonator 3 ;, K is the coefficient of non-isochro nosti. Thus, the input signal of the transducer 1 under test, which is the Shu series resonant frequency (piezoresonator 3), will vary according to the SBKOHV test signal change (.1).

Счита , что динамические свойства преобразовател 1 про вл ютс в изменении глубины и фазы модул ции частоты выходных колебаний (jy- j преобразовател 1 относительно глубины и фазы- модул ции U)g дл выходного напр жени Uebi)C операционного усилител 2 и, следовательно, испытуемого преобразовател 1 получим выражение .Considering that the dynamic properties of converter 1 are manifested in changes in the depth and phase of the modulation of the output oscillation frequency (jy-j converter 1 with respect to the depth and phase modulation U) g for the output voltage Uebi C of the operational amplifier 2 and, therefore, test transducer 1, we obtain the expression.

Уьь1к131оС05Ше,ых1, (5) в котором и определ етс выражением (2) , а Uy1131oS05She, y1, (5) in which is defined by the expression (2), and

A bbix-- o - Un)).K UioC05 -(б) С51Ъц-Ч1Арч,Ч(,а.11A bbix-- o - Un)). K UioC05 - (b) C51Hz-H1Arch, H (, а.11

где К(.й), 1(51) - соответственно амплитудно-частотна и фазочастотна характеристика испытуемого преобразовател 1.where K (.y), 1 (51) are, respectively, the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the test transducer 1.

Подверга UpbiX амплитудному и частотному детектированию, получим |соответственно на выходе амплитудЫого 12 и частотного 11 детекторов напр жени Subjecting UpbiX to amplitude and frequency detection, we obtain, respectively, the output of amplitude 12 and frequency 11 voltage detectors

иАд--к дК,и,оСо са / ру4Чдд), (7) iAD - to DC, and, оСо са / ру4Чдд), (7)

(8) (eight)

чА-- мА 1 г1 ъ 1оСО а4:+ рч,+ч(й)ЧцдhА-- mA 1 g1 ъ 1оСО а4: + рч, + ч (й) Чцд

где КдА, VA коэффициенты передачи, , VfoA- сдвиги фаз соответственно амплитудного 12 и частотного 11 детекторов .where KdA, VA transfer coefficients,, VfoA are phase shifts of amplitude 12 and frequency 11 detectors, respectively.

Таким образом, на выходе- амплитудного-детектора 12 получим напр жение (7), пропорциональное изменению входного сигнала ьивх -4f а на выходе частотного детектора 11 - напр жение (.8), пропорциональ ное изменению частоты выходных колебаний ) испытуемого преобразовател 1.Thus, at the output-amplitude-detector 12, we obtain a voltage (7) proportional to the change in the input signal ixx-4f and at the output of the frequency detector 11 - a voltage (.8) proportional to the change in the frequency of the output oscillations) of the tested converter 1.

Выполнив, блок 13 сопротивлени выходных напр жений частотного и амплитудного детекторов 11 и 12 в виде измерител отношени амплитуд напр жений Оуди иддполучим на выходе блока 13 сигнал Un(a Р пропорциональный искомой величине 10. испытуемого преобразовател 1By performing, unit 13 resist the output voltages of the frequency and amplitude detectors 11 and 12 in the form of an Oudi voltage amplitude ratio meter, I get a signal Un at the output of unit 13 (a Р proportional to the sought value 10. of the test converter 1

,. к КилКСаЖ Кг Цю, КАКцдКгК., (пч Кддк;и,о (5, KilksaG Kg Qiu, KAKTSdKgK., (pkdkd; and, about (5

где К. - коэффициент передачи изкери тел отношени амплитуд напр жений , и ДАДл определени фазочастотной характеристики Ч(О.) испытуемого преобразовател 1 блок 13 сопротивлени .выходных напр жений частотного 11 и амплитудного 12 детекторов необходимо выполнить в виде фазометра, показание U4(5i} кототоро будет в этом случае пропорционально разности фаз напр жений и.уд(3) и UAA. (10)where K. is the transfer coefficient from the ring body of the amplitude of the voltage, and the DF to determine the phase-frequency characteristic H (O.) of the transducer under test 1 block 13 of the output voltage of the frequency 11 and amplitude 12 detectors must be performed as a phase meter, reading U4 (5i} In this case, which will be proportional to the phase difference of the voltages and (U) (3) and UAA. (10)

и (ft)-- 5 tft-t nPV Ca)V4 34Ut+ f )iand (ft) - 5 tft-t nPV Ca) V4 34Ut + f) i

где К - коэффициент передачи .фазометра .where K is the transmission coefficient of the phase meter.

При выполнении равенства Руд Ч ДА (что нетрудно выполнить на практике показани блока 13 - фазометра будут «пропорциональны значени м искотлой фазочастотной характеристики 4(fil) испытуемого преобразовател 1When the equality Rud R YES is fulfilled (which is not difficult to accomplish in practice, the readings of the block 13 - the phase meter will be proportional to the values of the frequency response of the frequency characteristic 4 (fil) of the test transducer 1

)--i(54(fl).) - i (54 (fl).

Аналогично описанному могут быть определены и другие динамические характеристики преобразовател 1. В частности, дл определени переходной характеристики необгсодиг-ю лишь вместо напр жени ((1) подать на вход сумматора 10скачок посто нного напр жени , а в .качестве блока 13 использовать двухлучевой осциллографSimilarly to the described, other dynamic characteristics of converter 1 can be determined. In particular, to determine the transient characteristics of a non-voltage, only instead of voltage ((1) apply a constant voltage jump 10 to the input of the adder, and as a unit 13 use a dual-beam oscilloscope

Очевидно, что изменение уровн возбуждени пьезорезонатора 3 по закону изменени испытательного сигнала в пьезорезонансных измерительных преобразовател х на основе автогенераторов ,с АРУ (подобных описанному выше) возможно и другими известными методами, например путем модул ции испытательным сигналом выходного напр жени источнЙка 9 опорного напр жени . В пьезорезонансных измерительных преобразовател х на Ъснове автогенераторов без АР.У изме;нение уровн возбуждени пьезорезона оров по закону изменени исгытательного сигнала возможно, например, путем изменени по этому закону напр жени питани активного элемента автогенератора.It is obvious that changing the excitation level of the piezoresonator 3 according to the law of changing the test signal in piezoresonance measuring transducers based on autogenerators, with AGC (as described above) is possible by other known methods, for example, by modulating the output voltage of the reference voltage 9 with a test signal. In piezoreson measuring transducers based on autogenerators without an AR, changing the excitation level of the piezoresonors according to the law of change of the test signal is possible, for example, by changing the voltage of the active element of the autogenerator according to this law.

Таким образом, в предлагаемом изменение уровн возбуждени пьезорезонаторов по закону изменени испытательного сигнала позвол ет исключить вли ние динамических свойств пьезорезонаторов на результат измерени , а введение операции амплитудного детектировани выходного напр жени испытуемого преобразовател позвол ет, исключить вли ние на результат, сопоставлени входного и выходного сигналов преобразовател динамических свойств цепи АРУ (последнее подтверждаетс отсутствием в конечных выражени х (9) и (11 параметров цепи АРУ К и самым существенно повышаетс точность определени динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей;Thus, in the proposed change in the excitation level of the piezoresonators according to the law of change of the test signal, the influence of the dynamic properties of the piezoresonator on the measurement result is eliminated, and the introduction of an amplitude detection operation on the output voltage of the converter under test eliminates the effect on the result, comparing the input and output signals converter of dynamic properties of the AGC circuit (the latter is confirmed by the absence in the final expressions (9) and (11 parameters of the AGC circuit K and most significantly increases the accuracy of determining the dynamic characteristics of piezoresonance transducers;

Возможность использовани в предлагаемом способе электрических испытательных сигналов вместо сигналовThe possibility of using in the proposed method of electrical test signals instead of signals

неэлектрической природа в известных способах существенно упрощает определение динамических характеристик пьезореэонансных измерительных преобразователей .non-electric nature in the known methods significantly simplifies the determination of the dynamic characteristics of piezoreeonance transducers.

Claims

1. Shirokov K.P. et al. Basic concepts of the theory of dynamic measurements .- Measuring equipment, 1975, No. 12, p. 12.

2. Konchalovsky Yu.V. and others. Electrical measuring converters. M., Energie, 1967, p. 264265, 267-268.