Датчик давления Советский патент 1985 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения давления.

Цель изобретения - повьшение чувствительности.

На фиг. 1 приведена функциональная схема датчика давления; на фиг. 2 - конструкция применяемого в датчике пьезорезбнатора в двух проекциях; на фиг. 3 амплитудночастотные характеристики рабочего пьезорезонатора.

Датчик давления содержит (фиг. 1) высокостабильный кварцевый автогенератор 1, буферный усилитель 2, два трехэлектродных кварцевых резонатора АТ-среза 3 и 3

и 3 с двумя основными 4, 5 и 4 5 и одним дополнительным

и б электродами. Пьезорезонатор 3 установлен в частотно-задающей цепи автогенератора 1 и является дополнительным, а Пьезорезонатор 3 закреплен в силопередающем элементе и явлется рабочим. Конструктивно пьезорезонаторы 3 и 3 вьтолнены идентичными в виде линзового кварцевого пьезоэлемента АТ-среза с электродами (фиг. 2). В силу идентичности пьезорезонаторов электроды одного ий них на функциональной схеме обозначены цифрами без штрихов, а соответствующие электроды второго пьезорезонатора обозначены цифрами со штрихами. Основные электроды 4, 5 и 4 , 5 нанесены в центральной части пьезоэлемента с двух сторон в виде замочно скважины. Дополнительные электроды 6 и 6 (сегментные) охватывают линзы так, что хорды сегментов перпендикулярны повернутой оптической оси Z пьезоэлементов. Площади основных и дополнительного электродов примерно равны. Между дополнительными электрдами 6 и б и общей шиной датчика подключены резисторы 7 и 7 нагрузки Амплитудный детектор 8 включен между дополнительным электродом 6 пьезорезонатора 3 и первым входом вычитающего устройства 9, второй вход которого соединен с источником 10 опорного напряжения. Выход вычитающего устройства 9 подключен к входу управляемого параметрического двухполюсника 11, который включен между первым основным электродом 4 и допол нительным электродом 6 пьезорезонатора 3. Однополосчые балансные смесители 12 и 13 включены последовательн

в кольцевое соединение с усилителем 14. На выходе однополосных баланных смесителей выделяется одна полоса с помощью фильтров или фазовым методом. К усилителю 14 подключен измеритель 15 частоты. Управляемый фазовращатель 1 б включен между первым основным электродом 4 пьезорезонатора 3 и вторым входом смесителя 12. Второй вход смесителя 13 подключен к дополнительному электроду б пьезорезонатора 3. Датчик содержит корпус с силопередающим элементом, которьй точечными контактами скреплен с пьезорезонатором 3 . Электрическая ось X пьезорезонатора 3 повернута на 40 относительно диаметральной линии, проходящей через точечные контакты силопередающего элемента, что соответствует нулевому температурному коэффициенту силочувствительности и наибольшей величине коэффициента Ратайского.

Устройство работает следующим образом.

При номинальном измеряемом давлении автогенератор 1, в частотно-задающую цепь которого включен пьезорезонатор 3 своими основными электродами 4 и 5, генерирует колебания частоты fp. С выхода автогенератора 1 колебания поступают через буферный усилитель 2 на основные электроды 4 и 5 пьезорезонатора 3 и возбзщдают его на частоте f,

Частота настройки 3 сдвинута относиf пьезорезонатора fo на тельно частоты автогенератора величину Af таким образом, что частота генерации f совпадает со срединой линейного участка одной из ветвей амплитудно-частотной характеристики пьезорезонатора 3 (фиг. 3). Колебания с дополнительного электрода 6 пьезорезонатора 3 поступают на амплитудный детектор 8, на выходе которого при номинальном давлении выделяется напряжение Ивыу дл „

где К дд - коэффициент

АР ЙЫУРноМ

передачи амплитудного детектора И, а Bbix Р амплитуда напряжения на выходе пьезорезонатора 3 при номинальном давлении.

Напряжение с выхода амплитудного детектора 8 поступает на первый вход вычитающего устройства 9, на второй вход которого от источника 10 опорного напряжения подается опорнае напржение, величина которого равна

AD цом результате, на входе параметрического двухполюсника 11 при номинальном давлении управляющее напряжение равно ,,, д„ „„ 0. В этом случае рабочая точка управляемого кварцевого фазовращателя, образованного пьезорезонатором 3, параметрическим двухполюсником 11 и резистором 7 нагрузки, находится на линейном участке характеристики управления.

Колебания с основного 4 и дополнительного 6 электродов пьезорезонатора 3 с одинаковой фазой поступают на вторые входы смесителей 12 и 13 соответственно благодаря установке соответствующего фазового сдвига на управляемом фазовращателе 16, управление которым осуществляется подачей калибровочного напряжения (фиг. 1). Широкополосный усилитель 14 с цепью положительной обратной связи, состоящей из последовательно включенных смесителей 12 и 13, образует замкнутый контур, в котором

существуют автоколебания частоты f

если выполняются условия баланса амплитуд и фаз. На выходе смесителя 12 выделяются колебания с суммарной

частотой fJ fJJ+fд,

а на выходе смесителя 13 - с разностной , f о .

При отклонении измеряемого давления от номинального резонансная частота f пьезорезонатора 3 изменяется и становится равной f (фиг. 3S,b) Напряжение на выходе пьезорезонатора 3 равно . р , что приводит-к появлению управляющего напряжения на входе параметрического двухполюсника: Uynp ,,, р -ли. В результате этого в колебаниях на втором вход смесителя 13 (на дополнительном электроде 6 пьезорезонатора 3) появляется фазовый сдвиг + Лфотносительно фазы колебаний на втором входе смесителя 12 (на первом основном электроде 4 пьезорезонатора 3). Это приводит к изменению фазы колебаний на выходе смесителя 13 на величину + йСр, что вызывает изменение частоты автоколебаний f в контуре широкополосного усилителя 14, так как условие баланса фаз выполняется на другой частоте. ,По величине отклонения частоты автоколебаний, фиксируемой измерителем 15 частоты, судят о величине отклонения измеряемого давления.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий автогенератор, в частотно-задающую цепь которого подключен основными электродами первый пьезорезонатор, а второй пьезорезонатор основными электродами подключен через буферный усилитель к выходу автогенератора, широкополосный усилитель, выходом подключенный к входу первого смесителя, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, подключенного к входу усилителя, выход которого подсоеди - нен к измерителю частоты, при этом пьезорезонаторы выполнены трехэлектродными, каждый из дополнительных электродов которых заземлен через резистор, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности, в него введены вычитающее устройство, входами подключенное к источнику опорного напряжения и выходу амплитудного детектора, а выходом - к управляющему входу управляемого параметрического двухполюсника, и управляемый фазовращатель, при этом дополнительный электрод пер(О вого пьезорезонатора подключен к выходу двухполюсника и второму входу (Л второго смесителя, а дополнительный электрод второго пьезорезонатора к входу амплитудного детектора, один из основных электродов первого пьезорезонатора подключен к входу двухполюсника и первому входу фазовращателя, на второй вход которого подают калибровочное напряжение, причем сх смесители выполнены однополосными б о балансными.