Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1983 года по МПК G01L1/16 C01K7/32 

00 О)

ю

со

Изобретение относится к техникв электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для одновременного измерения механических усилий и температуры.

Известен дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два дифференциально включенных пьезорезонатораС13.

Недостатком устройства является невозможность одновременного измерения силы и температуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий чувствитель ный элемент с пьезорезонатором, автогенератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителяС2.

Достаточно сложная конструкция чувствительного элемента, а также имf2ЮIЦийcя градиент температур в чувствительном элементе не позволяет добиться высокой точности измерений.

Цель изобретения - повьяиевие точ|ности измерения за счет учета градиента температур.

Указанная цель доатигается тем, что в преобразователь введены два фильтра, два делителя частоты, вто, рой автогенератор и умножитель час тоты, при этом автогенератор выпол ней 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 соединён с входами двух усилителей, выходы которых включены, на управляющие входы автогенератора, а выход одного делителя час тоты дополнительно соединен с перBfcjM входом смесителя, второй вход которого через умножитель частоты подключен к выходу второго автогенератора, связанного 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, связаны с входами делителей частоты б и 7 соответственно. Выходы делителей частоты б и 7 нагружены на входы фазового детектора 8, который связан через фильтр 9 нижних частот с входами первого 10 и второго 11 усилителей, нагруженных своими выходами на управляюцие входы автогенератора 3. Выход фильтра 9 нижних частот также связан с входом .второго автогенера;тора 12, подключенного через умножитель 13 к второму входу смесителя 14, первый вход которого связан с выходом второго делителя.7 частоты.

Упругий элемент 1 находится под действием силового и температурного полей в точке измерения. 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 обеспечения высокой линейности и крутизны преобразования температурно-частотных и сило-частотных характеристик как на основной частоте, так и на ангармонике, целесообразно применение в качестве пьезорезонатора 2 кварцевого резонатора LC-среза. Для резонаторов LC-среза изменением угла приложения силы относительно кристаллографической оси 2 кварцевого резонатора можно добиваться 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 колебания и побочного резонанса (ангармоники) пьезоре-г зонатора 2, а также выс.окое качество (добротность) ангармоники, т.е. необходимо уметь управлять частотой и качеством не толькЪ основного, но и ангармонического резонанса пьезорезонатора .

Первое условие необходимо для обепечения достаточно простого разделения фильтрами 4 и 5 частот основного колебания fg пьезорезонатора 2 и агармо1ники д на йыходе двухчастотног автогенератора 3, для чего частоты 0 и д должны быть достаточно разнесены на частотной оси (для частот f(j и д порядка 5 10 Гц и при добротностях 1С-фильтров порядка 100 этот разнос должен быть порядка 100 кГц и выше).

Второе условие необходимо для обепечения высокой стабильности частоты ангармоники так как в противном случае будет возрастать погрешность определения измеряемых температуры и силы из-за нестабильности частоты.

Экспериментальные исследования для кварцевых резонаторов на частоты 500 кГц - 5,5 МГц показали возмож-. ность.получений требуемого значения частоты ангармоники, отличающееся от основной на 20 кГц - 1 МГц путем изменения геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора. Экспериментальные исследования показали также возможность раздельной подстройки частот основного и tjc)6o4Horo р зонансов no сравнению с расчешыми зн 1чениями путем допыления материала электрода или снятием его части. Главной и принципиально необходимой особенностью кварцевого резонатора с ангармоникой для работы собственно дифференциального пьезоэлект рического преобразователя является возможность, .варьируя геометрией пьезоэлемента и электродов, варьировать величиной добротности как основ ного колебания, так и ангармоники. Это, в свою очередь,позволяет.изменять коэффициенты тензо- и термочувствйтельности как на основной час тоте, так и на ангармони.ке. Причина этого заключается в том, что при изменении добротности изменяются 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, имеется возможност управлять 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, связанных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3. и настроенных на основную частоту пьезорезонатора 2 и его ангармонику f соответственно, имеются 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); . - измеряемые температура и сила (текущие}; Тд ,FO- координаты реперной точки в которой определялись коэффициенты термо- и Q тензочувствительности; fg - частота основного колебания 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 деления делителей б и 7 частоты. Из-за различия коэффициентов термо- и.тензочувствительности на основной частоте и побочном резонансе (ангармонике) пьезорезонатора 2, а, следовательно, Ъа счет ра:зности частот4f н 4 2 имеющейся 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, наблюдаются биения, и в зависимости от знака,, мгновенного напряжения биений разность между частотами f , и f2 то повышается, .то понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений. В результате этого на выходе фазового детектора 8 образуется постоянная составляквдая напряжения биений, причем тем большая, чем меньше начальная расстройка частот и (асинхронный ;режим) . Коэффициенты деления делителей частоты 6 и 7 выбираются такими, что; о 0 fH f. Постоянная составляющая с. выхода фазового детектора 8 подается через фильтр 9 нижних частот на усилители 10 и 11 с соответствующими коэффициентами усиления: п° К УПТ 12 2 ; O-jjKg-a S УПТ 22jll. 2 о.2Ка-а22 Г Сигналы с усилителей 10 к 11 подаются на управляющие входы управляемого напряжением двухчастотного автогенератора .3 и снижают частоту биений на выходе фазового детектора 8 до нуля. В реальной системе ФАПЧ с Интегрирующим фильтром 9, если 4 Лf3 (f полоса захвата системы ФАПЧ )при любой фазе включения режим биений становится апериоди геским и наступает захват частот fj| и f (синхронный режим ), устанав ливается постоянная разность фаз меж ду частотами, поступающими на вход фазового детектора, при этом: С03й6д -рI где /ufy - полоса удержания системы ФАПЧ, и напряжение на выходе фазово го детектора будет также постоянно и пропорционально воздействующим на пьезорезонатор 2 температуре Т и силе F К 1 - T:hot Благодаря 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 напряжений 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, изменился коэффициент пропорциональности по каждой из частотct а° а . - „i 11 0,0 .( 0.0 k 2-1 12 2 72 в дальнейшем возникающая при изменении измеряемых Т и F дополнител ная расстройка частот двухчастотного автогенератора 3 и, следовательно , частот Ц и f приведет к изменению уровня постоянного напряжения на выходе фазового детектора 8 и фильтра 9 нижних частот. Если при возможных экстремальных расхождениях частот fJJ и f т.е. прк ° ределяемых диапазонами возможных воздействующих (измеряемых) сил и те ператур, расстройки лf К fH и &f2 2 - нт«Х|В о 1 з тогенератор 3, достаточны для полной компенсации .этих расхождений, то напряжение 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 объясняется неидентичностью коэффициентов термочувствительности на основной частоте пьезорезонатора 2 и его ангармонике. Поэтому для разделения информации о Т и F в пpeдлal a.eмoм устройстве сигнал о фильтра 9 нижних частот поступает также на управляемый напряжением 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 температурная составляющая в сигнале fg в К,раз меньше температурной составляющей в сигнале f. 2 2«22 то между выходом автогенератора 12 и .вторым входом смесителя 14 введен умножитель 13, частоты с коэффициентом умножения К. Тогда частотный сигнал, поступающий на второй вход смесителя 14,имеет следующий вид; .1/2 / ( F 1 V-IVV-A .причем выбирается fn К fm. . - Vf WJ На первый вход смесителя 14 по ается сигнал с выхода второго делителя 7 частоты. Тогда на выходе смесителя 14 при выделении разностной частоты fp будем иметь частотный сигнал, пропорциональный только измеряемой силе ,kkfkk,,.., .S-°aA ° Следовательно, в предлагаемом устройстве имеется возможность разделений информации о Т и F и представле|нии ее в-частотной форме. Кроме , в предлагаемом устройстве точностьем градиента температур, так и с

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

связано как с использованием лишьизмерения для случая одновременноодного -пьезорезонатора, а ,следова-го измерения двух параметров транстельно, с упрощением конструкции формируется для каждой составляющей

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 выполняются соотноЛс,,

шения: 4а z-i

с

а

22

21

12.

12 «12 j

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

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий чувствительный элемент с пьезоразонатором, автогенератор, смеси- тель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, отли. «лГ.Гй S3v t--;Mu f-K. чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет учета градиента температур, в него введены два фильтра, два делителя частоты, второй автог:енератор 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 сл частоты подключен к выходу второго автогенератора, смесителя, входом с выходом фильтра нижних частг -