Пьезорезонансный измерительный преобразователь Советский патент 1985 года по МПК G01L1/14 G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения неэлектрических величин: линейного перемещения, силы, ускорения, давления и т.п.

Известны пьезорезонансные преобразователи физических величин, использующие в качестве датчиков тецзо- и силочувствительные кварцевые резонаторыГ1.

Недостатком таких преобразователей является низкая тензо- и силочувствительность пьезоэлементов, что не позволяет получить требуемую точность при измерении малых входных воздействий. Улучшение разрешающей способности преобразователей путем увеличения добротности резонаторов и снижения в результате этого нестабильности частоты выходного сигнала невыгодно с технико-экономической точки зрения, а применение входных . механических усилителей приводит к значительному увеличению габаритов и массы датчиков, что существенно ограничивает область их применения.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности к изобретению является пьезорезонансньй измерительный преобразователь, содержащи кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхност пластины, и расположенный на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механическим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератор Так как измерительная цепь содержит преобразователь микроперемещени (кварцевый резонатор с зазором), то чувствительность устройства в целом определяется свойствами входного преобразоваля. Например, использование в качестве последнего мембран ма 1ЛОЙ жесткости позволяет строить вы|сокочувствительные миниатюрные датчики давлений 2}.

Недостатком такого устройства является температурная погрешность пьезорезонансного датчика с переменным зазором. .

Анализ температурной погрешности показал, что устройствам подобного типа присущи как аддитивная составЛяющая температурной погрешности, вызванная наличием определенной температурно-частотной характеристики

пьезозлемента, так и мультипликативная составляющая, обусловленная зависимостью величины емкостного отношения от температуры.

Цель изобретения - повьш1ение точности измерения за счет исключения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем что в пьезорезонансный измерительный преобразователь, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, а расположенный на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механическим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору, введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, фомирователь коротких импульсов, устройство задержки и третий электрод. Нанесенный на пластину с противоположной стороны от первого электрода, при этом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим элекродами, а входы через формирователь импульсов - с генератором тактовых импульсов, причём выход автогенератора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управлякщие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным и четным выходами распределителя импульсов, при этом четньй вход распределителя импульсов соединен через последовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройство задержки с входом обнуления реверсивного счетчика, выход которого соединен с информационным входом запоминакщего устройства, вход разрешения записи которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов. Кварцевая пластина ориентирована так, что боковая грань пластины направлена параллельно кристаллографической оси второго порядка, а плоскость пластины наклонена к кристаллографической оси третьего порядка против часовой стрелки под углом 26-28 ;

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 временная диаграмма работы устройства.

Пьезорезонансный измерительный преобразователь состоит из первичйого механического преобразователя 1, пьезорезонансного датчика 2 с переменным зазором, содержащего кварцевую пластину 3 с электродами 4-6, автогенератора 7, электронного ключа 8, генератора 9 тактовых импульсов, распределителя 10 импульсов, содержащего делитель 11 частоты на два, устройства 12 и 13 задержки, логические элементы И 14 и 15, а также инвер тор 16, формирователя 17 коротких импульсов, устройства 18 задержки, реверсивного счетчика 19 и запоминающего устройства 20. Подвижный электрод 6, жестко связанный с первичным преобразователем 1, и электрод 4 подключены к авто генератору 7, а электроды 5 и 6 датчика 2 соединены с сигнальными выходами электронного ключа 8. К выходу генератора 9 тактовых импульсов подсоединены входы делителя 11 частоты на два и устройства 12 задержки, . а их выходы соединены с входами логического элемента 14. Выход логического элемента 14 через инвертор 16 соединен с входом логического элемента 15, на второй вход которого через устройство 13 задержки поступает выходной сигнал устройства 12 задержки. Выходы логических элементов 14 и 15 соединены с первым и вторым входами электронного ключа 8 и входами управления сложением и вычитанием реверсивного счетчика 19, соответственно на счетный вход реверсивного счетчика 19 поступает сигнал с выхода автогенератора 7. Выход логического элемента 15 соединен с входом формирователя 17 коротких импульсов, выход которого соединен с входом разрешения записи информации, запоминающего устройства 20 и через устройство 18 задержки с входом обнуления реверсивного счетчика, информационные выхо ды которого подсоединены к соответствующим входам запоминающего устройства. Преобразователь работает следующим образом. Генератор 9 тактовых импульсов (ГТИ) вьфабатывает последовательность прямоугольных импульсов с длительностью положительного полупериода f (фиг.2 а), которая/ поступая на вход распределителя 10 импульсов (РИ), подается в нем на делитель 11 частоты на два (ДЧ) и устройство 12 задержки (УЗ).Выходные cигнaJlЫ двух последних блоков (фиг.25и в соответственно) поступают на входы логического элемента И 14 (ЛЭ), на выходе которого (он же является первьм выходом РИ 10) вьщеляются условно нечетные импульсы ГТИ 9 (фиг.2 г). Выходной сигнал ЛЭ 14, инвертируясь в блоке 16 (фиг.2 Э), поступает на один из входов ЛЭ 15. На второй вход ЛЭ 15 (он же является вторым выходом РИ 10) вьщеляются условно четные импульсы 9 (фиг.2-.), УЗ 12 и 13 необходимы для синхронизации по переднему фронту входных импульсов ЛЭ 14 и 15. Формирователь 17 коротких импульсов (ФКИ) по заднему фронту четного импульса вырабатьшает короткий импульс (фиг.2 i), который поступает на вход разрешения записи информации запоминающего устройства . (ЗУ) 20 и с некоторой задержкой в ЗУ 18 (фиг.2 и) на вход обнуления реверсивного счетчика (PC) 19. После .;; прохождения этого импульса и до появления нечетного импульса ГТИ 9 все регистры PC 19 находятся в нулевом состоянии и сигналы на входах управления сложением и вычитанием последнего отсутствуют (импульсы из автогенератора 7 в PC 19 не поступают). Измерительный преобразователь установлен в исходное состояние. Цикл измерения начинается при поступлении из ГТИ 9 нечетного импульса, который вьщеляется на первом выходе РИ 10 и поступает на первый вход ключа 8 (он может быть выполнен, например, на триггере и полевом тра«зисторе) и вход управления сложением PC 19. При этом электроды 5 и 6 датчика 2 разомкнуты и в PC 19 записывается число, соответствующее количеству импульсов автогенератора 7 частотой ( OJ, T за время Г . Следующий (четный) импульс ГТИ 9 вьщеляется на втором выходе РИ;10 и поступает на второй вход ключа 8 и вход управления вычитанием PC J9. При этом ключ 8 замыкает электроды 5 и 6 датчика 2 и из содержимого PC 19 вычитается число,соответствующее количеству импульсов автогенератора-7 с частотой f (,Т) , поступивших в PC 19 за время t . По истечеиии этого времени ФКИ 17 В1фабатывает импульс и содержимое PC 19 записывает ся в ЗУ 20 . После операции записи проходит импульс из УЗ 18 и измеритель вновь устанавливается в исход ное состояние, а информация о велич не .входного воздействия хранится в ЗУ 20 в течение цикла измерения. Минимизация температурной погрешн ти в предложенном преобразователе осуществляется следующим образом. Для кварцевого резонатора с зазо ром температурная погрешность у описывается зависимостью: Гг ()( -с„(л , где 4Т - интервал рабочих темпер тур j л/ -J-ijH- температурный коэффициУП . ент емкостного отношения ; с.--4температурный коэффициент линейного расширени в направлении толщины кварцевой пластины, (1 + )J{1H/E(/) mi, ()(1+i/et gd BO, Сд- температурные коэффицие ты соответственно 1-го, 2-го и 3-го порядков пьезоэлемента данного срез Первое слагаемое выражение -у представляет мультипликативную сос тавляющую температурной погрешности пьезорезонансного датчика, так как коэффиценты IC) и К зависят от вели чины зазора Ы . Когда электроды 5 и 6 датчика 2 разомкнуты на выходе генератора 7 присутствует сигнал частоты f(d,T-) f(cl)TTf. и в реверсивный счетчик записывает число, соответствующее количеству импульсов N, замыкании электродов 5 частота сигнала «(. .импульсов, поступающее количество счетчик ()J По окончании цикла измерения в апоминающем устройстве 20 записыватся число N W-(c) Таким образом, в предлагаемом преобразователе осуществляется компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности. В дифференциальных датчиках также осуществляется компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности, однако, в отличие от предложенного преобразователя, такие датчики должны содержать два пьезоэлемента с идентичными температурно-частотными харак-. теристиками, что требует применения прецизионной технологии изготовления пьезоэлементов и приводит к существенному росту затрат на их производство. Основным источником мультипликативной погрешности датчиков с переменным зазором является температурная нестабильность емкостного отношения, Т.е. K,) Так как величина oL зависит от ориентации пластины относительнр кристаллографических осей кварца, в измерительном преобразователе используется пьезоэлемент среза YXP|+(26 - 28),для которого выполняется условие cstffl 0. При определеНИИ оптимального угла среза, обеспечивающего о1., приняты следующие допущения: пьезопластина имеет бесконечно большие поперечные размеры, но конечную толщину i , нормаль к пластине параллельна, направлению распространения механических колебаний. В реальных условиях в зависимости от геометрических размеров и формы пьезоэлемента и электродов найденный угсш следует скорректировать в пределах +26-+28. Несмотря на высокую термочувствительность пьезозлемента данного среза в результате компенсации аддитивной температурной погрешности в предложенном преобразователе при величине перестройки датчика 7 f (-1 1 icr в диапазоне темпера|тур ДТ 40 град, температурная погрешность преобразования зазор-ча тота не превышает сотых долей процента, что на два порядка лучше, чем у прототипа с термостабильным пьезоэлементом АТ-среза. В преобразователе устранена температурная погрешностЬрЧто существен но повьш1ает точность измерений. Поскольку в режиме работы преобр зователя с замкнутыми электродами 5 и 6 датчика 2 частота выходного сигнала автогенератора является 98 функцией температуры, предлагаемый пьезорезонансный преобразователь может быть использован для измерения двух параметров: температуры и в зависимости от типа первичного преобразователя линейного перемещения (давления, силы, ускорения и т.п.). Указанное обстоятельство способствует получению дополнительной информации о состоянии контролируемого объекта, а в случае контроля нecJкoльцих параметров позволяет сократить число измерительных преобразователей (датчиков), что имеет важно при работе с малогабаритными объектами.

1. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, и расположенньй на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механи-, ческим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору,, отличающийся тем, что, с целью повьшення точности путем исключения температурной погрешности, в него введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, формирователь коротких импульсов, устрой- стов задержки и третий электрод, нанесенный на пластину с противоположной стороны от первого электрода, при этом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим электродами, а входы через формирователь импульсов - с генератором тактовых импульсов, причем выход автогенератора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управляющие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным и четным выходами распределителя импульсов, при этом четньй выход распределителя импульсов соединен через последовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройство задержки со входом обнуления реверсивного счетчика, выход которого (Л соединен с информационным входом, запоминающего устройства, вход разрешения записи которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов. 2. Преобразователь по п.1, о т 00 личающийся тем, что квар цевая пластина ориентирована так, 00 что боковая грань пластины направле1& на параллельно кристаллографической Ю оси второго порядка, а плоскость пластины наклонена к кристаллографической оси третьего порядка в на- , правлении против часовой стрелки под углом 26-28°.

Фи1.2

i4uicm ujMepent/ i