Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь Советский патент 1984 года по МПК H04R17/00 G01L1/16 

05 со

to

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в акустоэлектронных измерительных устройствах для изме рения давления, температуры и других величин, Известен дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий два пьезоэлектрических .резонатора, схемы их возбуждения, усилители и формирователь разностной частоты 11, Недостатком преобразователя является недостаточно высокая чувствительность и значительная погрешность при малых изменениях измеряемых величин. Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является дифф ренциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор усилитель, подключенный к его выхо ду первый смеситель и мембранный датчик. на поверхностных акустических -волнах (ЛАВ), выполненный В виде пьезоэлектрической пластиНы, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии о ее центра расположены пара противо лежа1дих входных и пара противолежа выходных встречно-штыревых преобра зователей (ВИП) . В этом устройстве ВШП соединены с усилителями так, что образуются два автогенератора, выходы которых через буферные усилители соединены с входами смесителя. При воздействии на пластину акус тического сигнала(при изменении : акустического давления) изменяется скорость и длина пути распространения ПАВ,, изменяются частоты колеба ний автогенераторов с ВШП и соответственно изменяется сигнал разностно частоты на выходе смесителя/ Это устройство обладает повышенной линейностью характеристик преобразова ния акустического воздействия в час тоту и малой чувствительностью по отношению к изменениям температуры, влажности и другим дестабилизирующи факторам 121, Недостатками известного устройст ва является ограниченная чувствительность и высокая погрешность, особенно в области малых информацио ных воздействий. Его чувствительнос зависит в первую очередь от величины времени задержки ПАВ, При малых информационных воздействиях длина пути распространения ПАВ изменяется незначительно, и перестройка выходной частоты оказывается малой. Кроме того, в обоих автогенераторных кольцах неизбежно существуют флуктуации параметров, приводящие к появлению нестабильности их основных частот и как следствие - к нестабильности разностной частоты. Медленные флуктуации параметров автогенераторов, вызванные такими дестабилизирующими факторами, как изменение температуры окружающей среды, влажности и др. оказываются коррелированными, поскольку это влияние осуществляется через общую пьезоэлектрическую пластину. Быстрые же уходы их частот некоррелированы, так как они вызваны прежде всего естественными шумами в активных элементах обоих усилителей. Дифференциальный принцип построения устройства позволяет уменьшить влияние медленных флуктуации. Быстрые же флуктуации не ослабляются, а наоборот увеличивают депрессию флуктуации выходной частоты, что рсобенно-нежелательно при быстром изменении информационного воздействия, например, при использовании измерительного преобразователя в качестве приемника акустических сигналов. Кратковременная относительная нестабильность частот обоих автогенераторов определяет пороговую чувствительность измерительного преобразователя и без применения специальных мер по стабилизации составляет I-IO - . Например, для частот возбуждения порядка 80 МГц, абсолютные значения уходов частоты составляют 400 800 Гц, что и обуславливает низкую пороговую чувствительность известного устройства и большую погрешность измерений, особенно при малых информационных воздействиях. Цель изобретения - повышение чувствительности дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразователя и точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь , содержащий высокочастотный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смеситель и мембранный датчик на ПАВ, вьшолненный в виде пьезоэлектрической . пластины, на противоположных сторонах которой на Одинаковом расстоянии от ее центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных ВШП, дополнительно содержит последовательно включенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выход генератора соединен с входными ВЫП и вторыми входами первого и третьего смесителей, вторые входы второго и четвертого смесителей соединены с еоответстзующими выходными BUffl, выход первого смесителя соединей с nepatiiM входом второго смесителя, а выход четвертого - с входом усилителя,

На фиг, 1 приведена функциональная схегла предлагаемого измерительного преобразователя, на фиг. 2 конструкция мембранного датчика.

Измерительный преобразователь содержит высокочастотный генератор 1 и мембранный датчик 2, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины 3, имеющей утоньшение-мембрану 4. На обеих сторонах мембраны 4 расположены соответственно два входных 5, б и два выходных 7, 8 ВШП. Входные ВШП 5 и 6 подключены к высокочастотному генератору 1. Измерительный преобразователь содержит также последовательно соединенные четыре смесителя 9-12 и усилитель 13. Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9 и третьего 11 смесителей. Вторые входы второго смесителя 10 и четвертого 12 соединены с выходными ВШП 8 и 7 соответственно. Выход усилителя 13 соединен с первым входом первого смесителя 9.

Противолежащие ВШП 5,6 и 7,8 расположены на одинаковом расстоянии от центра пластины 3. ЬШП 5,7 и 6,3 образуют две линии задержки ПАВ.

Устройство работает следующим . образом.

Сигнал с частотой с высокочастотного генератора 1 поступает на мембранный датчик 2 и одновременно к входным ВШП 5,6 и к входам смесителей 9 и 11. Электрические колебания, поступающие на ВШП 5,6 преобразуются в распространяющиеся на верхней и на нижней сторонах мембра ны в обеих линиях задержки одновременно. С выходных ВШП 7 и 8 колебания поступают на входы смесителей 10 и 12 соответственно. Включенные кольцом смесители 9 - 12 и усилител 13 представляют собой автоколебательную систему, в которой при выполнении условий баланса фаз и бала са амплитуд возникают автоколебания, частота которых на выходе усилтеля 13 равна Оц. . При отсутствии иформационного акустического сигнала времена задержек ПАВ на верхней и нижней сторонах мембраны 4 при идентичных структурах ВЫП одинаковы и равны , где I - расстояние 1eждy входным и выходным ВШП,а V- скорость распространения ПАВ.Задержанные на время С сигналы с частотой,равной частоте высокочастоного генератора оа , но сдвинутые по

фазе относительно него на величину tp.uitr подаются на смесители 11 и 10.

На входы, смесителя 9 поступают сигналы с частотами о и a , где и)а - частота колебаний сигнала, поступающего на второй вход смесителя 9 с выхода усилителя 13. На выходе смесителя 9 вьщеляется сигнал суммарной частоты GOo ( . Па выходе второго смесителя 10 формируется колебание с разностной частотой и поступает на первый вход трет его смесителя И. На второй вход третьего смесителя 11 поступает колебание с выхода генератора 1. На выходе третьего смесителя выделяется колебание с разностной частотой iOcx- 1 I которое поступает на вход четвертого смесителя 12. На второй вход четвертого смесителя 12 поступает колебание с выходного ВШП. На выходе четвертого смесителя формируется колебание с суммарной частотой (а) . При прохождении в усилителе 13 колебания усиливается и задерживаются на время tj Для данного режима работы рассматриваемого измерительного преобразователя характерHfciiM является то, что частота автоколебаний Lu)q должна быть больше, чем частота колебаний генератора иОо и усилитель 13 может быть как инвертируемьм, так и неинвертируемым. Boз;ю yeн другой режим работы предллгаегюго устройства, при котором ,

. В динамическом режиме, т.е. при воздействии информационного сигнала мембр-ана испытывает механические деформации, что приводит к изменени геометрии ВШП и к изменёник пути t распространения ПАВ. Это приводит кпротивофазному изменению времени задержки сигнала, распространяющегося по верхней и нижней сторонам. Пр этом приращения длин пути распространения ПАВ it на верхней и нижней сторонах мембраны одинаковы, то проти юположны по знаку, изменения времен задержки высокочастотного сигнала также одинаковы и противоположны по знаку и составляют величину tAt-u-H/v . В то же время колебания с ВШП 7 и 8 поступают на входы смесителей 10 и 12, которые в процессе преобразования вносят фазовые сдвиги 1«3(1 (.tiut) . Следовательно в кольцевой автоколебательной системе, .образованной последовательHfcjM соединением смесителей 9-12 и усилителя 13 произойдет изменение суммарного разового набега на величину vp 2ido- t . Изменение суммарного фазового сдвига приводит к. нарушению условия баланса фаз на частоте (jJa , что ведет к изменению частоты автоколебаний кольцевой системы. Новая частота U)a. определяetc/} из условия баланса фаз. Таким образом, при воздействии на измерительный преобразователь информационного сигнала изменяется суммарный фазовый набег в кольцевфй автоколебательной системе, состфящей из смесителей 9 - 12 и усили теля 13, и,следовательно, изменяется частЬта автоколебаний этой цепи Пфи этом линейное изменение At при ,в6дит к линейному измененЦю выходной .частоты преобразователя. Особенностью предлагаемого устрс«йства является то, что его выходНс(я частота при идентичных смесителях практически не зависит от частоты высокочастотного генератора Wo , а., следовательно, и от его нестабильности. Кроме того, воздейС1 вие всех дестабилизирующих факторов на мембрану приводит к одинакоBIJM по величине и знаку изменениям задержки ПАВ на ее верхней и нижней стЕоронах, а за счет противофазного стфления фазовые сдвиги, обусловленные изменением зтих задержек, компенсируются в кольцевой автоколебательной системе. Эти обстоятельства позволяют существенно повысить .чувствительность измерительного преобразователя и точность измерений информационного сигнала. Предлагаемый измерительный преобразователь по частоте 80 МГц при Г 10 и относительной нестабильности частоты 10 более чем в 600 раз .чувствительней известного преобразователя в случае, если усилитель является инвертирующим и чувствительней более чем в 300 раз, если усилитель является неинвертирующим. Минимальное Фиксируемое информационное приращение адекватно определяют среднеквадратическую погрешность измерения. Поэтому можно погрешность преобразования в предложенном устройстве во столько же раз меньше, по сравнению с известным. Таким образом, предлагаемое устройство обЛсщает более высокой чувствительностью и точностью по сравнению с известными измерительными преобразователями.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий высокочастот1 ный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смеситель , и мембранный датчик на поверхностных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от ее центра расположены пара противолежащихвходных и пара противолежащих выходных встречноштыревых преобразователей (ВШП, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, он дополнительно содержит последовательно включенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выход генератора соединен с входными Bum и вторыми входами первого и с третьего смесителей, вторые входы s второго и четвертого смесителей (Л соединены с соответствующими выходньвии ВШП, выход первого смесителя соединен с лервым входом второго смесителя, а выход четвертого с входом усилителя.