Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь перемещений Советский патент 1983 года по МПК H03H9/00 H01L41/08 

иг. /

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовено в пьезоэлект.рнческих авухпараметрических измерительных преобразователях перемещений и температуры.5

Известен дифференциальный пьезоэлектрнческий преофазователь перемещений, сод жащий чувствительны элемент в виде двух резонаторов, выполненных в пьезоэлектрическом бруске 1

Недостатксял указанного чувствительного элеМёйта является низкая точность преобразования механических возд ствйй в электрический сигнал, величина которого не отражает зависимости is свойств чувствительного элемшта от температуры.

Наиболее близким к предлагаемому является 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,

Недостатками известного устройства 35 являются невысокая точность измерения пер ъ Ёшений и невозможность определешся направления этих пераъ1ещений. Это обусловлено тем, что в этом устройстве: необходимо променогточное преобразовани перемеш ше - сила, которое вносит в результат дополнительную погрешность за счет непостоянства силовых характеристик как в диапазоне изменения п емешешш, так и в диапазоне температур. Кроме того, в случае маломощного источника перемещений такое преофазование (пер««гвщение - сила) моЖ1ет оказаться или вообще невозможным, или будет обеспечивать малые диапазоны50

йзмене1шя собственных частот пьезорезонаторов, а следовательно, и разности частоы, что также существенно снижает точость измерений.

Цель изобретеюш - повьлиение точости преобразования и расширение обласи его применения путем обеспечения

возь ожности определения направления перемещений.

Поставленная цель достигается 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 хностями сквозной прямоугольной щели, вьшолненной В|доль диагонали других противолежащих граней пьезоэлектрического бруска.

На фиг. I изображен предлагаемый преобразователь перемещений; на фиг. 2 чувствительный эпемект,

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 прямоугольную щель 10, металлизированные поверхности tl и 12, которые образуют электроды резонаторов, металлические пластины 13 и 14, образующие другие электроды резонаторов и крепящиеся с держателей 15 и 16.

Устройство работает следующим овразом.

При перемещ ши исследуемого объекта Т изменяются разонансные частоты f и i-z обоих резонаторов, включенных в схемы автогенераторов I и 2,

1 О4 fg fr

2.

где К :,т и К 27 - коэффициенты температурной чувствительности частоты резонаторов; Кле и К2е - Коэффициенты чувствительности частоты к перемещениям.

Поскольку оба резонатора вьтолнены в j монолитном бруске 9, то коэффициенты К,(-,-, и KjT оказываются равными межау собой J а резонансные частоты изменяются в связи с изменением то;нцины активной области упругих толщинносдвиговых Q колебаний (тфи перемещение объекта), которая заключена .для 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 рассогласования частот i и 2 так, что при противоположных смещениях объекта 7 оно сорт-20 Ветственно равно Д- i.. и

ii.-t ii i2 дает ВОЗМОЖНОСТЬ определить направление .перем&аеНИН объекта 7,,

При перемещении объекта 7 преобразо- 25 ватель работает в режиме биений на частоте Ai i А- t,2 зависимости от знака мгновенного значения напряжения , биений на выходе детектора 3 разность меншу частотами автогенераторов I и 2. JQ изменяется, что приводит к неодинаковой длительности положительнойи отрицательной полуволн и к образованию на выходе детектора 3 постоянной составляющей напряжения, которая через фильтр ® , и усилители 4 и 5 с разноименными знаками коэффициентов в передаче на управляющие входы автогенераторов I и 2 снижает частоту биений до нуля. Л

При этом на выходе любого автогене ратора имеем сигнал, пропорциональный воздействующей температуре

-ioar 2e- V На выходе фильтра 6 уровень постоянного напряжения пропорционален разности частотД Ij/ , которая определяется только величиной перемещений объекта 7 и является линейной функцией этих перемещений

f n -f ioi-ioiV kr Отрицательная или положительная величины напряжения на выходе детектора 3 будут соответствовать знакам рассогласования частот

-Ul-i2l --U A.)b

ФА

что указывает на направление перемещения.

Таким образом, изобретение дает возможность повысить точность преобразования величины перемацения в электрический сигнал, так как предлагаемая конструкция чувствительного элемента обеспечивает достижение равенства 2, const во всем диапазоне изменения величины переметцений Е , и расширить футпсциональные возможнос,ти конструкции за счет огфеделення направления перемещений.

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 я тем, что, с целью повышения точнос ти преобразования и расширения области его применения путем обеспечения возможности определения 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 поверхностями сквозной прямоугога ной , вьшолненнсА вдоль диагонали, других противолежащих граней пьезоэлектри- р ,ческого . ;е :п т