Дефференциальный пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01L1/16 

вительный элемент 1 с пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к двух- частотномуавтогенератору 3,выход которого соединен с фильтрами А- и 5. Фильтр 4 настроен на основную частоту пьезорезонатора 2 и связан с входом смесителя 7, фильтр 5 настроен на ангармонику пьезорезонатора 2 и соединен со смесителями 8 и 10, Входы смесителей 7 и 8 через автогенераторы 11 и 12 связаны с выходами усили- телей 19 и 20 соответственно, а выхо

Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величин и может быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый ,объект.

Цель изобретения - увеличение чувствительности к измеряемым параметрам и повьшение точности измерений. t

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого дифференциального пьезоэлектрического преобразователя .

Преобразователь содержит чувствительный элемент 1 с пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к двух- частотному автогенератору 3. Вход автогенератора 3 соединен с первым и вторым фильтрами 4 и 5. Выход первого фильтра 4, настроенного на основную частоту пьезорезонатора 2, связан с первым входом первого смесителя 7, выход второго фильтра 5, настроенного на ангармонику пьезорезонатора 2, соединен с первыми входами второго и четвертого смесителей 8 . и 10. Вторые входы первого 7 и второг 8 смесителей через первый 11 и второ 12 автогенерато)ы связаны с выходами первого 19 и второго 20 усилителей соответственно, а выходы нагружены на входь первого фазового детектора 15, соединенного через первый фильтр 17 нижних частот с входами первогоЛ 9 и второго 20 усилителей. Второй выход второго автогенератора 12 связан че

32964

ды нагружены на входы фазового детектора 15, соединенного через фильтр нижних частот (ФНЧ) 17 с входами усилителей 19 и 20. Вторые входы смеси- телей 9 и 10 через автогенераторы 13 и 14 связаны с выходами усилителей 21 и 22, а выходы нагружены на входы фазового детектора 16, соединенного через ФНЧ 18 с входами усилителей 21 и 22, При этом автогенераторы 11, 12,

13 и 14 выполнены двухчастотными.

1 ил.

5

0

0

5

рез третий фильтр 6 с первым входом третьего смесителя 9. Вторые входы третьего 9 и четвертого 10 смесителей через третий 13 и четвертый 14 автогенераторы связаны с выходами третьего 21 и четвертого 22 усилителей, а выходы нагружены на входы второго фазового детектора 16, соединенного через второй фильтр 18 нижних частот с входами третьего 21 и четвертоРо 22 усилителей. При этом автогенераторы 11-14 выполнены двухчастотными.

Конструктивно двухчастотный автогенератор 3 и фильтры 4 и 5 могут быть выполнены в виде унифицированного модуля-источника 23 информационных сигналов. Смесители 7 и 8, фазовый детектор 15, фильтр 17 нижних частот, усилители 19 и 20 постоянного тока и двухчастотные автогенераторы 11 и 12, а также смесители 9 и 10, фазовьй детектор 16, фильтр 28 нижних частот, усилители 21 и 22 посто- йнного тока и двухчастотные автогенераторы 13 и 14 конструктивно могут быть реализованы в виде однотипных унифицированных модулей 24 и 25 разделения составляющих информационных сигналов с перестраиваемыми коэффициентами, усиления усилителей 19-22 постоянного тока , изменяемыми начальными частотами управляемых кварцевых генераторов 11-14 и диапазонами их перестройки по частоте.

Работа дифференциального пьезоэлектрического преобразователя происходит следующим образом.

Упругий (чувствительный) элемент 1 находится под действием силового и температурного полей в точке измерения. На торцовой поверхности упругого элемента 1 укреплен пьезокварце вый резонатор 2, испытывакЛций точечное нагружение и возбуждаемый одновременно на двух модах.

3

Пьезорезонатор 2 подключен к авто генератору 3, работающему в двух- частотном режиме, С целью обеспечения высокой линейности и крутизны преобразования температурно-частот- ных и сило-частотных характеристик как на основной частоте, так и на ангармонике, целесообразно применение в качестве пьезорезонатора 2 кварцевого резонатора LC-среза.

В дифференциальном пьезоэлектрическом преобразователе необходимо обеспечить определенный разнос меж,цу частотами основного колебания пьезорезонатора (моды f|,, ) и ближайшего по интенсивности ингармоническог.о колебания (моды f,,,,), где индексы т, п, р приf означают число стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль осей у , х, z соответственно. Кроме этого, необходимо обеспечить высокое качество (добротность) как основного, так и побочного (ангармонического) резонансапьезорезонатора 2.

В преобразователе после фильтров 4 и 5, связанных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3 и настроенных на основную частоту f и д соответственно, имеются, в зависимости от одновременно воздействующих на упругий (чувствительный) элемент 1 силы F и температуры Т, частотные сигналы следующего вида:

f,, (F-F )+а; (T-Tj; (1) f, (F-F,-)+a;, (Т-Т„ ) , (2)

где а° , а°2 - коэффициенты термочувствительности;а° , 3.° - коэффициенты тензочувствительности;Т, F - измеряемые температура и сила (текущие); F , Т„ - координаты реперной

точки, в которой опре деляются коэффициенты термочувствительности а° , а° , и коэффи

циенты тензочувстви- тельности а° , а, ; f° - частота основного колебания в реперной точке;

fj - частота ангармоники в

в реперной точке. Сигнал с выхода фильтра 4 поступает на первый вход первого смесите- ля 7, а сигнал выхода фильтра 5 поступает на первый вход второго 8 и четвертого смесителя 10. Каждый из унифицированных модулей 24 и 25 раз- , деления составляющих информационных сигналов в исходном состоянии, т.е. при воздействии на- чувствительный элемент 1 температуры и силы , настраивается так, чтобы выходные разностные частоты fp и fp пер- вого 11 и второго 12 двухчастотньгх автогенераторов, поступающее на вторые входы первого 7 и второго 8 смесителей, были равны соответственно fp, fp,o pj р,о выходные разност- ные частоты fp,,, и fp третьего 13 и четвертого 14 двухчастотных автогенераторов, поступающие на вторые входы третьего 9 и четвертого 10 смесителей, были равны соответственно

РЬ fpio fp fpi.e

Кроме этого, выходные разностные

частоты „ и „ двухчастотньгх равляемых кварцевых автогенераторов

11 и 12 выбирают так, чтобы выходные частоты первого 7 и второго 8 смесителей F -f р и Fj fj -fp при тем- . пературе и силе оказались равными

° -f° с - -17° f°

.. -Рао

(3)

Условия fp, fp, и fp fр обеспечиваются таким выбором основных частот и f| двухчастотного автогене- 5 ратора 11, чтобы при температуре

, и силе .

f f -f ,

f.r,1010

Pic 10

(4)

и таким выбором основных частот f,

лт1

И f,j двухчастотного автогенератора 12, чтобы при температуре и силе .

20 о

(5)

Аналогично выходные разностные частоты двухчастотньгх управляемых

512329646 .

кварцевых автогенераторов 13 и 14 стоянного тока, коэффициенты усиле- выбираются так, чтобы вьгходные часто- ния которых выбраны следуюпщми: ты Fj и Р,-, третьего 9 и четвертого

10 смесителей F , и F, f.-f

при температуре и силе 6ка 5

запись равными

М.п.. 2(а

iS

2(а.-Л;

(11

(12

- f;-r

J 0 (S A i А PW

(6)

2(а.-Л;

Сигналы с выходов усилителей 19 Условия fp fp3o , обес- 10 и 20 подаются на управляюпше входы . печиваются таким выбором основных первого 11 и второго 12 управляемых

напряжением двухчастотных кварцевых автогенераторов и снижают частоту биений на выходе первого фазового (7) 15. детектора 15-до нуля. Другими словами, в такой комбиниров.анной- системе и таким выбором основных частот f,, I AJFIj, какую представляет собой молт

частот f и fj двухчастотного авто генератора 13, чтобы при и

f

f -f 30 30

и двухчастотногоавтогенератора 14, чтобы

f f -f . (8) 20 включения режим биений, блогодаря зараг,. ° нее известному выбору знака расстройки

Ь;уль 24 разделения составляющих ин- JiopMaij oHHbix сигналов, при любой фазе

При воздействии на чувствительный элемент 1 текущих F и Т частотные сигналы иа выходах первого 7 и второго 8 смесителей примут вид 25

(Т-Т, ), (9)

F, (F-F.)4

F,.F5-a° ( (Т-Т„ )

г. 21

г г

(10)

40

Из-за различия коэффициента термо- и тензочувствительности на основной частоте f (моде f, ) и побочном резонансе f „ (ангармонике или моде ,,, )

13 эл

пьезорезонатора 2,а следовательно,за- счет разности частот , .имеюп 1 2.

щейся в частотных сигналах с выходов смесителей 7 и 8, на выходе первого фазового детектора 15, на входы кото рого нагружены выходы первого 7 и второго 8 смесителей, наблюдаются биения и в зависимости от знака мгновенного напряжения, биений разность между частотами F/ и F то повышается, то понижается, что приводит .к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений, В результате этого на выходе первого фазового детектора образуется постоянная составляю- щая напряжения биений, причем тем большая, чем меньше начальная фасет- ройка частот iF частот F и F, (асинхронный режим).

Постоянная составляющая с выхода фазового детектора 15 подается через первый фильтр нижних частот 17 на первый 19 и второй 20 усилители по-

ого тока, коэффициенты усиле- торых выбраны следуюпщми:

М.п.. 2(а

(11)

iS

апт.

2(а.-Л;

(12)

включения режим биений, блогодаря зараг,. нее известному выбору знака расстройки

Ь;уль 24 разделения составляющих ин- JiopMaij oHHbix сигналов, при любой фазе

uF, частот F. и FA , величин коэффициентов передачи усилителей 19 и 20, соответствующему изменению напряжений управлений и, следовательно, выходных разностных частот управляемых. двухчастотных автогенераторов, станот вится апериодическими и наступает захват частот F и F (синхронный ре30 жил).

При 3 foM устанавливается постоянная разность фаз между частотами F и F,j , поступающими на входы первого фазового детектора 15:

, йК

COSc,

(12а)

где uF - полоса удержания системы ФАПЧ. ..,,.;,,.

При этом частоты F. и F в синхронном режиме не только захватились и равны, но и пропорциональны только воздействующей на чувствительный элемент 1 силе F.

Действительно, учитывая, -что начальная расстройка частот F и F определяется «следующим образом:

F, i)(F-F. (. х.ит-т,),

(13)

а напряжение V|.p на выходе первого фазового детектора 15

«..

(14)

основные частоты

f;

и f

и

ft

двухчастотных автогенераторов 11 и

соответственно с учетом коэффициентов усиления усилителей 19 и 20 будут изменяться следующим образом:

f f.o уп,,

fNC - ,„г, +lf

t го

-k

a 20 ynr

dF.

4f;

uF.

H

aF

Тогда выходные разностные сигналы fp и fp с выходов автогенерато- ов 11 и 12 примут следующий вид:

fp, fr f fpio /

K-,)(F-FJ4a;-a;,)(T-TJJ-,

(1

,(F-FJI 9Q

f :(-(-( I

Рг 2 ч a . 12 гг

KV r KT-Tj.(0) 25

При этом сигналы F, и.Е с выходов смесителей 7 и 8 будут иметь следующий вид:

f F°+ Дц %i i %tYF-F ) p. + a; -a,

(21)

f F°+ Д°1 21 i (F-g ) Po - (22)

.a

21

Как видно из вьфажений (21) и (22) коэффициент чувствительности к силовым воздействиям в выходном сигнале

а

о яО „о

г V

15 г

При дальнейшей работе преобразователя возникающая при изменении изме45

ряемых F и Т дополнительная ка частот f и f автогенератора 3 и, следовательно, частот первого 7 и второго 8 смесителей F и F приводит к изменению уровня постоянного 50 напряжения на выходе первого фазового детектора 15:

д,-(:, - ) (F-F ) + (a,Va°,) (Т-Т, )

(24) 55

и первого фильтра нижних частот 17. Если при возмоадых экстремальных расхождениях частот F, и F2, т.е. при

лР

нипкс определяемых диапазонами воздействующих(измеряемьгх температур, расстройки

и uF

5(ПТг H макс

вносимые

5 ji первый 11 и второй 12 автогене-: раторы, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то частотные сигналы с выходов первого и второго смесителей 7 и 8 всегда будут пропор- 0 циональны воздействующей на чувствительный элемент 1 силе F.

Поскольку фильтр 6 настроен на выделение одного из основных колебаний, а именно колебания f двухчастотного

5 автогенератора 12, то сигнал, на его выходе в синхронном.режиме работы первого модуля разделения составляющих информационных сигналов 24 можно представить следующим образом:

J-,

(1)

20

,,,.(F-f,,.

(-TJ,

.)

(25)

или

f, f,ta:, (F-F )+a° (Т-Т„ ) . (26)

20 3(

il

Сигнал вида (26) с выхода фильтра 6 подается на первый вход третьего смесителя 9. На первый вход четвертого смесителя 10 подается сигнал (2), а именно

, (F-F, )-ьа:, (Т-Т„).(27)

Тогда с учетом соотношений (6)-(8) частотные сигналы на выходах третьего 9 и четвертого смесителей 10 при воздействии на чувствительный элемент 1 текущих температ5фы Т и &илы F примут вид

. (F-F,)-Ha3(T-T,); (28)

F, F°+a° (F-F, )+a:, (Т-Т„ ). (29)

21

11

Б результате разности частот uF Fj-F , имеющейся на выходах треть-, его 9 и четвертого 10 смесителей, на выходе второго фазового детектора 16, на входы которого нагружены выходы третьего и четвертого смесителей, наблюдаются биения и образуется постоянная составляющая напряжения биений (асинхронный режим). Постоянная составляющая с выхода второго фазового детектора 16 подается через второй фильтр 18 нижних частот на третий 21

и четвертый усилители постоянного тока, коэффициенты усиления которых выбираются следуюп(ими:

.

9Ся -яО

, )

(30) (31)

Сигналы с выходов усилителей 21 и 22 нодаются на управляющие входы третьего 13 и четвертого 14 управляемых напряжением двухчастотных кварцевых автогенераторов и снижают частоту биений на выходе второго фазового детектора 16 до нуля. Другими словами в модуле 25 разделения составляющих информационных сигналов при любой фазе включения режим биений благодаря заранее известному выбору знака расg

.стройки Др| частот F и Б , величин коэффициентов передачи усилителей 21 и 22, соответствующему изменению напряжений управлений, и, следовательно,

автогенераторов 13 и 14,

выходных разностных частот f и Ер автогенераторов 13 и 14, становится апериодическим и наступает захват частот Р„

При этом частоты F

и F. (синхронный режим)

и F,

третьего 9

и четвертого 10 смесителей не только захватываются и становятся равными, но и оказываются пропорциональными только воздействующей на чувствительный элемент 1 температуре Т.

Действительно, учитывая, что на- чальнаЛ расстройка частот F и F. опОЧ

ределяется следующим образом:

FH (, Х, )(F-F, ) + (,)(Т-Т„ ),

(32)

а напряжение на выходе второго фазового детектора 18 пропорционально этой расстройке:

гл, иосновные частоты f

3

f и f;.

f двухчастотных автогенератором l3 и 14 будут изменяться следующим образом:

f ffo-Knr н

.,

д,-2

-ц -tlOУЯТ1,H

Тогда выходные разностные сигналы jfpj и fp с выходов автогенераторов 13 и 14 нримут следующий вид:

а

31

г +.

PiO --п° Sl 21

au;,) ;F-Fj(( (37)

fp.f.-f.f.

Оо

з, «г,

(.:,,)(F-Fj4a;,a:j(T-TJ

15

(38)

При этом сигналы F и с выходов смесителей 9 и 10 будут иметь соответственно следующий вид:

. а

с ( т-т

Pj -, о - о 5

3, -а

(39)

Т7 f -f F° + i.. аэ1 Sjj.(-у.-т- ч.

2 f, ц + а,, -af

5° -Я° 31 i1

(40)

Как видно из выражений (39) и (40) в предлагаемом устройстве, учитывая равенства (25) и (26):

3° я.

.1 ,

2(а а° )

Я° - 32 9

Коэффициент чувствительности k к температурным воздействиям имеет вид

, з- 2.. i-if/, 1

т до яО V4 I у Si St

Формула изобретения

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий чувствительный элемент с пьезорезонатором, включенным в двухчастотный автогенератор, первый и второй фильтры, связанные входами с выходами двухчастот- ного .ератора, а также первый и второй смесители, соединенные с первым фазовым детектором, связанным через первый фильтр нижних частот с входами первого и второго усилителей, выходы которых через первый и второй автогенераторы связаны с вторыми входами первого и второго смесителей соответственно, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и повышения точности измерений.

II

в него введены второй фильтр нижних частот,третий и четвертый автогенератры, третий и четвертый смесители, второй фазовый детектор, третий фильтр и третий и четвертый усилите- ли, причем третий и четвертый смесители связаны соответственно с первым и вторым входами второго фазового детектора, выход которого соединен через второй фильтр нижних час- тот с входами третьего и четвертого

усилителей, вдзгходы которых через тре- ры вьшолнены двухчастотными.

12

тии и четвертый автогенераторы связаны с вторьгми входами третьего и четвертого смесителей соответственно, при этом первые входы второго и четвертого смесителей соединены с выходом второго фильтра , первый вход первого смесителя связан с выходом первого фильтра, первый вход третьего смесителя через третий фильтр соединен с вторым выходом второго автогенератора, при этом все автогенерато

Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величин и может использоваться при построении телеметрических систем одновременного контроля силовьЬс и температурных воздействий на исследуемый объект,. Цель изобретения - увеличе- . ние чувствительности к измеряемым параметрам и повышение точности измерений. Преобразователь содержитчувст(Л (О со ю со Од 4i