Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01L1/16 G01K7/32 

fpf/2.f Идобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для одновременного измерения силы и температуры, а также других приводимых к ним физических величин Цель изобретения - повышение точ ности. На фиг, 1 изображена схема пред,лагаемого устройства; на фиг. 2 спектр частот кварцевого резонатора LC-среза вблизи основной частоты; на фиг. 3 - вид температурно-часто ной характеристики основного и инте сивных ангармонических колебаний |кварцевого резонатора; на фиг. 4 процесс расфильтровки информационных частот, Устройство (фиг. 1) содержит упр гий элемент 1 с кварцевым пьезорезо натором 2, подключенным к автогенератору 3, работающему в трехчастотном режиме и фильтры 4-6. Выход генератора 3 через фильтры 4 и 5, пер вый из которых настроен на основную частоту резонатора f (fn,) а второй - на ангармонику f (f ) , связан с измерительными входами щ еобразоватслей 7 и 8 частота - ко Кроме того, выход автогенератора 3 через фильтр 6, настроенный на раз- ностлую частоту fp между основной частого резонатора и ангармоникой f(„,), связан с входами опорного сигнала 1Г1)еобраяователей 7 и 8 частота - код, а их выходы подключены к входам вычислительного блока 9, связанного с блоком JO памяти. Устройство работает следующим образом. В качестве чувствительного элеме та в устройстве используется кварцевый резонатор 2 LC-среза, обладаю щий линейными температурно-часготнь ми и сило-частотными характеристиками. Резонаторы этого типа, как и резонаторы АТ-среза, У-срез и т.д принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией толщино-сдвиговых колебаний. Как и резонаторы АТ-среза, кварцевые резонаторы LC-cpesa характеризуются помимо основного коле бания сдвига по толщине целым рядом побочных резонансов - ангармоник. Спектральные характеристики резонат ров LC-среза имеют такой же вид как и спектральные характеристики резонаторов AT-среза. Кварцевые резонаторы LC-среза, как и резонаторы АТ среза, являются 72 мультичодовыми (мнотомодовыми) с инт;енсивт.-1ми ангармоническими модами .Известно, что rto сравнению с теМ- пературно-частотной характеристикой (ТЧХ) на основной моде колебаний „,, ТЧХ ангармонических модах для резонатора АТ-среза имеют тот же вид, но повернуты на определенный угол по часовой стрелке. Проведенные измерения ТЧХ на основном колебании и ангармониках кварцевых резонаторов LC-среза с помощью прецизионного термостата ТНР-IP показали, что ТЧХ ангармоническихколебаний также поворачиваются относительно ТЧХ на основном колебании по часовой стрелке (фиг.З) и имеют, как и основное колебание, линейные ТЧХ. При этом, если основное колебание f,j, и ближайшие ангармоники f положительнью знак коэффициента, температурной чувствительности, то ангармонические моды f.,, fi-зз т.д. частоты которых превышают в 1,2 раза частоту основного колебания, имеют уже отрицательньй коэффициент температурной чувствительности. Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с минимальным динамическим сопротивлением Re, всего лишь в раз большим Кд на основном колебании) , имеющим отрицательный коэффициент температурной чувствительности, является колебание f частоты которого для различных резонаторов в 1,22-1,24 раза превышают частоту основного колебания. Имеется практическая возможность получать для плосковыпуклых и двояковыпуклых линзовых кварцевых резонаторов AT-среза выбором соответст вующей геометрии пьезоэлемента как требуемый разнос между основным и ангармоническими резонансами, так и требуемые добротности основного и ангармонических резонансов путем изменения геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора. Экспериментальные исследования для резонаторов этого типа показали также возможность раздельной подстройки частот основного и ангармонических колебаний путем допыления материала электрода или снятия части его. Такие же возможности имеются и Для плосковыпуклых резонаторов LC-среза.

Таким образом, в кварцевых резонторах LC-среза имеется возможность управлять разносом .основного колебания и ангармониками по частоте, их добротностью, а также величинами и знаками коэффициен ов температурной чувствительности на основном колебании и ангармонических модах.

В пьезоэлектрическом преобразователе многочастотный автогенератор 3 возбуждается на трех некратных частотах f,(f,,,), ,,) и ,(,5) зависящих от измеряемь1х силы Р и температуры Т следующим образом:

f(fw+«.,P+ai7T;

,,„ +а„ Р+а

2 - 20 52

,o.+a,, Р+а„Т,

где f ,р , f 0 , f ,0 - значения частот

в реперной точке, которая служит началом отсчета в измерительной системе Р, Т текущие значения

параметров силы и температуры соответственно;

а,, , а , , а,, - коэффициенты силовой чувствительности; г 22 32 коэффициенты температурной чувствительности Поскольку в устройстве используется пьезорезонатор LC-среза и, следовательно, выходной сигнал автогенератора 3 содержит две близко расположенные частоты f (f,,,), f (f,,, и значительно отнесенную от них частоту ,,) а также низкочастотное колебание частоты , (фиг.4), то в качестве информационных .частот выбраны частоты ff, fj и fр. Колебания частот fp и f, достаточно хорошо выделяются простыми фильтрами5 и 6 с невысокими избирательными свойствами, так как частоты f и fp значительно удалены от частот

f. и f, . К фильтру 4 также на -ч

предъявляются высокие требования

по избирательности, поскольку двух- частотный сигнал с его выхода, обус- лцвленный близко расположенными частотами f, и f с амплитудами А, и А соответственно (, .), усредняется преобразователем частота - код на периоде .

колебания

частоты , , так как на опорный вход преобразователя 7частота код поступает колебание с фильтра 6 разностной ч-астоты fp . Следова тельно, погрешность преобразования за счет наличия двухчастотного сигнала на входе преобразователя 7 частота - код отсутствует.

Таким образом, введение фильтра

6разностной частоты и подключение его выхода к опорным входам преобразователей 7 и 8 частота - код, а также выбор в качестве информационных частот f, , fp и f., позволяют устранить погрешность устройства, обусловленную неидеальной фильтрацией близко расположенных, информа- цион11ых частот f и f , имеющихся

на выходе автогенератора 3. С другой стороны, снижаются требования к избирательным свойствам фильтров 4 - 6, а следовательно, уменьшаются затраты на их изготовление и упро щается устройство в целом. Кроме того, можно без потери точност ; проводить усреднение в преобразователях

7и 8 частота - код на малом времени

I

что увеличивает быстродей-

Р

ствие устройства.

Таким образом на выходах фильтро 4 6, настроенных соответственно на основную частоту резонатора f, разностную частоту f™ и на ангармонику f, действуют сигналы вида

,o +а„ Р+а,, Т; . . +(а„-а,, )Р+

+ (а22 а,2 )Т;

f,f,o+а„ Р+а,2Т. Сигналы f, и fJ поступают на информационные входы преобразователей 7 и 8 частота - код соответственно, а сигнал fp - на входы опорной частоты обоих преобразователей. На выходе преобразователей 7 и 8 формируются цифровые коды у. и у, про- порциональные отношения поданных частот f,/fР и f-j/fp, зависящие от измеряемых параметров Р и Т следую- щлм образом:

lio laj, P+ajM4.T

fja-fio +(aai-a«)P()T

,.T

г f,,-f,, t(a, -a,, (a, -а)Г

Коды у, и y,j поступают на вычислительный блок 9, связанный с блоком 10 памяти, которьш решает систему уравнений относительно искомых параметров Р и Т.

Сравнивая выражения, определяющие величину относительной погрешности параметров Р в зависимости от относительных уходоё коэффициентов чувствительности и начальных частот для известного и предлагаёмого устройств можно сделать, вывод,, что в предлагаемом устройстве погрешность меньше. Это обусловлено Тем, что относительные уходы начальных значений частот в устройстве сильно коррелированы между собой так как колебания возбуждаются в одном резонаторе, а в известном устройстве относительные уходы частот опорного генератора не коррелированы с относительными уходами измеряемых частот, что и вызывает увеличение погрешности преобразования частоты в код, а следовательно, и вычисления параметра Р,

Кроме того, использование в предлагаемом устройстве моды кварцевого резонатора с отрицательным коэффициентом температурной чувствительности f(,j приводит к улучшению обусловленности матрицы преобразования и, в конечном счете, к повышению точности определения Р и Т.

Кроме того, предлагаемое устройство благодаря устранению опорного генератора, который вместе с системой термостатирования представляет достаточно сложное устройство, имеет преимущества: снижается энергпотребление, габариты, масса и стоимость; время готовности предлагаемого устройства с момента включения практически равно нулю, а в известном устройстве оно определяется временем выхода, на режим термостата и опорного, генератора.

которое может достигать несколгжих минут и более.

Технические преимущества пре/длагаемого устройства в сравнении с из , вестным заключаются в возможности обеспечения более высокой точности измерения температуры и силы в упро щении устройст1за, снижении веса, габаритов, энергопотребления, в снижении

готовности устройства к работе с момента запуска, в упро1цении устроист-. ва в целом.

Повышаются точности измерения силы и температуры, так как в предлагаемом устройстве устранена погрешность преобразования частоты в код, возникающая за счет неидеальной рас- фильтровки сигналов автогенератора, а также снижена погрешность вычисле-

НИЛ параметров силы и температуры, возникающая за счет некоррелированных относительных уходов начальных частот автогенератора - датчика и опорного генератора, вызванных неин-

формативными факторами.

Формула изобрете.ния

Пьезоэлектрический преобразова- таль, содержащий кварцевый резонатор, закрепленный на упругом элементе и подключенный к автогенератору, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока с помощью после- довательно соединенных фильтра и преобразователя частота - код, при этом вычислительный блок связан с блоком памяти, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него введен фильтр разлостной частоты, входом связанный с выходом автогенератора, а выходом - с входами опорного сигнала преобразователей частота - код.

fifl

фигЛ

Изобретение относится к изме- рительной технике и может быть использовано для одновременного измерения силы и температуры. Цель изоб-; ретения - повышение точности. Введение фильтра 6 разностной частоты и подключение его выхода к опорным входам преобразователей 7 и 8 частота - код а также выбор информационных частот позволяют устранить погрешность устр-на, обусловленную неидеальной фильтрацией близко расположенных информационных частот, имеющихся на выходе автогенератора 3. Можно без потерь точности проводить усреднение в преобразователях 7 и 8 частота - код на малом времени, что увеличивает быстродействие устр-ва. 4 ил. (Л