Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01K7/32 

температурные деформации, что приводит к изменению пути распространения поверхностей акустической волны в линиях 19 и 20 задержки, нанесенный на обе стороны мембраны 4, и к изменению частот автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходах усилителей 13 и 18. В результате изменяются фазовые сдвиги в линиях 19 и 20 задержек и частота автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходе усилителя 25. По изменению частоты колебаний на выходе усилителя 18 судят об изменении измеряемой температуры, а по изменению частоты колебаний на выходе усилителя 25 определяют изменение измеряемого давления. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерений. С высокочастотного генератора 1 колебание поступает на измерительный преобразо-г ватель 2. Электрические колебания во встречно-штыревых преобразователях 5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся в мембране 4, а во встречно-штыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование. При воздействии давления и температуры мембрана 4 испытывает механические и

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может быть использовано в акустозлектронных измерительных устройствах в качестве двухпараметровых датчиков для одновременного измерения давления и температуры. Целью изобретения является повыше ние точности измерений. На чертеже представлена структурная схема дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразователя . Устройство содержит высокочастот ный генератор 1 и измерительный преобразователь 2, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины 3 с мембраной 4 по центру. На обеих сторонах мембраны 4 нанесены по две пары встречно-штыревых преобразователей, причем противолежащие ВШП 5 и 6 являются входными, а встречно-штыревые преобразователи ВШП 7 и 8 )зыходными. Входные встречно-штыревые преобразователи 5 и 6 подключены к высокочастотному генератору 1„ Устройство содержит также последовательно соединенные четьфе смесителя 9-12 и усилитель 13, выход которого подключен к первому входу первого смесителя 9, последовательно соединенные четыре смесителя 14-17 и второй усилитель 18, выход которого подключен к первому входу пятого смесителя 14, две линии 19 и 20 задержки и последовательно соединенные четьгре смесителя 21-24 и третий усилитель-25, выход которого подключен к первому входу девятого 21 смесителя. Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9, третьего 11, пятого 14 и седьмого 16 смесителей. Вторые входы второго 10 и шестого 15 смесителей соединены с выходным 8 встречно-штыревым преобразователем, а вторые входы четвертого 12 и восьмого 17смесителей соединены с выходным 7 встречно-штыревым преобразователем. Выход первого усилителя 13 соединен непосредственно с вторым входом девятого 21 и через, первую линию 19 задержки с вторым входом десятого 22 смесителей. Выход второго усилителя 18соединен непосредственно с вторым входом двенадцатого 24 и через вторую линию 20 задержки с вторым входом одиннадцатого 23 смесителей. Смесители 9-12, 14-17и21-24 выполнены однополосными, На выходах смесителей выделяют колебания либо, суммарной, либо разностной частоты путем использования в них фильтровых или фазокомпенсационных узлов подавления нежелательных колебаний. Причем первый 9, второй 10, четвертый 12, шестой 15, восьмой 17, десятьй 22 и двенадцатый 24 выполнены вычитающими - на их выходах выделяют колебания разностных частот; тре тий 11., пятый 14, седьмой 16, девятью 21 и одиннадцатый 23 выполнены суммирующими - на их выходах выделяют колебания суммарных частот. Противолежащие ВШП 5, 6 и 7, 8 располо жены на одинаковом расстоянии от центра пластины 3, ВШП 5, 7 и 6, 8 образуют две линии задержки на поверхностных акустических волнах.

Устройство работает следующим образом,

С высокочастотного генератора 1 колебание с частотой поступает на измерительный преобразователь 2, Электрические колебания -в входных встречно-штыревых преобразователей 5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся на верхней и нижней сторонах мембраны 4 в обеих линиях задержки, одновременно. В выходных встречноштыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование поверхностной акустической волны в электрические колебания. При номинальных значениях силового воздействия и тe fпepaтypы колебания выделяемые на выходных встречно-штыревых преобразователях 7 и 3 сдвинуты на фазу по отношению к колебаниям, прикладываемым к входным встрёчно-штьфевых преобразователей 5 и 6

соответственно на величины

(1)

йСр, ЛС|р + йЦ)+йС|) ;

йM2 -йMp йq.-лcpt., (г)

где utPp - фазовый набег,обусловленный силовым воздействием измеряемого давления на мембрану;

uff фазовьм набег,обусловленный расширением мембраны при температурном воздействии;

йср - фазовый набег,обусловленный вспучиванием (изгибом при температурном воздействии.

При воздействии давления и температуры мембрана 4 испытывает механические и температурные деформации одновременно, что приводит к изменению ее геометрии, и, следовательно, к изменению пути f распространения поверхностной акустической волны в линиях задержки. При этом приращения распространения поверхностной акустической волны, обусловленные воздействием давления Р на верхней и нижней сторонах мембраны 4 одинаковы по абсолютной величине,но .противоположны по знаку и,соответственно изменения времени задер жки сигнала в линиях задержки одинаковы,но

противоположны по знаку и составляют величинуйбр

i-.

где V - скорость распространения по верхностной акустической волны. Это обуславливает равные по величине,но ±&Cpp tG3ocp

фаз колебаний, снимаемых с выходных

7и 8 встречно-штыревых преобразователей. В то же время температурные воздействия вызывают как расширение (сжатие), так и вспучивание (изгиб) мембраны 4, а также отклонение скорости распространения AV поверхностно-акустической волны. Деформация расширения - сж&тия и отклонение скорости распространения поверхностной акустической волны обуславливают равные по величине и по знаку отклонения времени задержки сигнала й в обеих линиях задержки

8силу этого температурные отклонения ut|, фаз колебаний, снимаемых

с выходных 7 и 8 встречно-штыревых преобразователей равны по величине и одинаковы по знаку. Кроме того происходит также отклонение фаз Ц), колебаний на выходных 7 и 8 встречноштыревых преобразователей, обусловленные термическим вспучиванием (изгибом) мембраны 4 при жестком закрепIлении ее в корпусе или при градиента температуры вдоль ее поверхности.Эти отклонения также как и.при воздействии давления, равны по величине, но противоположны по знаку по верхней и нижней сторонах мембраны.

С выхода генератора 1 колебание с частотой fg и начальной фазой Cf поступает также на вторые входы смесителей 9, 11, 14 и 16. Б то же время колебание, снимаемое с выходного 7 встречно-штыревого преобразователя и сдвинутое по фазе на величину йср, (выражение (1)) относительно колебания на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 12 и 17, а колебание, снимаемое с выходного 8 встречно-штыревого преобразователя и сдвинутое по фазе на величину ucpj (выражение (2)) относительно колебания на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 10 и 15, Включенные в кольцевое соединение смесители 9-12 и первый усилитель 13 представляют собой автогенераторный измерительный преобразователь, в котором происходят следующие преобразования сигналов, поступающих на вторые входы смесителей 9-12,- В стационарном режиме при выполйении условий балансафаз и амплитуд в автогенераторном измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальная фаза которого на вькоде усилителя 13 равны соответственно f и срд, , Колебание с выхода усилителя 13 поступает на первый вход первого смесителя 9, на выходе которого выделяется колебание с разностной

частотой fo foil и начальной фазой cf - срд . Это колебание поступает на первый вход второго, смесителя на второй вход которого поступает колебание с выходного 8 встречно-штыревого преобразователя с частотой д и фазовым сдвигом ( t ЬЧ2 На выходе второго 10 смесителя выделяется колебание с разностной часто, той fо - (fо fa, ) fa, Фазовым сдвигом срд,+дср, cpc,,-uqip-t iiq -Acjt.

которое поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого поступает колебание с частотой f и начальной фазой , с выхода генератора 1, На выходе третьего 11 смесителя вьщеляется колебание с суммарной частотой fo + foi и фазовым сдвигом + qa,, + q)Q ,,

I

которое поступает на первый вход четвертого 12 смесителя, на второй вход которого поступает колебание с выходного 7 встречно-штыревого преобразователя. На выходе четвертого смесителя выделяется колебание с разностной частотой (fj, + fo| ) - f р и фазовым

сдвигом, cfд+дц -йс, Ч)д,-2йд)р-. 2 ACft . Следовательно, колебание на выходе

четвертого смесителя 12 имеет ту же частоту ffj 5 что и колебание на первом входе первого смесителя 9 и сдвинуто по фазе на величину -2дсрр- по отношению к колебанию на первом входепервого смесителя 9. Цепочка: последовательно включенных смесителей 9-12 представляет собой цепь обратной связи первого усилителя 13 в первом автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя 13 выполняется условие баланса амплитуд в первом автогенераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе первого усилителя

на основании условия баланса равна

шТ +

.- - -

-34,

где m 1„ 3, 5,,. о при инвертировании сигнала в цепи, состоящей из последовательно включенных блоков 9 -- 13, и m 2, 4, 6,,., при отсутствии инвертирования сигнала в цепи состоящей из последовательно (включенных блоков 9 - 13; - время запаздывания сигнала в

первом усилителе 13. Включенные в кольцевое соединенне смесители 14 - Г/ и второй усилитель 18 представляют собой второй автогенераторный измерительньй преобразователь, в котором происходят следующие преобразования сигналов, поступающие на вторые входы смесителей 14 17. ,В ста1 ;ионарном режиме при вьшолнении условий баланса фаз и амплитуд во втором автогенераторном измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальная фаза которого на выходе усилителя 18 соответственно рс1вны fg и (fg , Колебание с выхода усилителя 18 поступает на первый вход пятого смесителя I4j, на второй вход которого поступает колебание с выхода генератора 1 с частотой fg и начальной фазой ср. На выходе пятого смесителя 14 выделяется колебание с суммарной частотой f(j + fg, и начальной фазой Q,, + .+ а .Это колебание поступает на пе|)вый вход шестого смесителя 15, на второй вход которого поступает колебание с выходного 8 встречно-штыревого преобразователя с частотой f и фазовым сдвигом iv +Aq. На выходе шестого 15 смесителя вьщеляется колебание с разностной частотой ( - fo fa и фазовым сдвигом Срд Чр Ч-t которое поступает на первый вход седьмого смесителя 16, на второй вход которого поступает колебание с частотой f, и начальной фазой ср с выхода генератора 1. На выходе седьмого смесителя 16 выделяется колебание с суммарной частотой о фазовым сдвигом-q- -utpi+q o 4ai «-btpp- cpt + , которое поступает на первый вход восьмого 17 смесителя. На второй вход смесителя 17 поступает колебание с вьпсодного 7 встречно-шты ревого преобразователя с частотой f и начальной фазой Cf -Atf, . На выходе смесителя 17 выделяется колебание с разностной частотой (fg + f) - f fg и фазовым сдвигом tfaj-ЛСр -utp, ii(j -2uCf , Следовательно колебание на выходе восьмого смесителя 1 имеет ту же частоту fg , что и колебани на первом входе пятого смесителя 14 и сдвинуто по фазе на величину -2лср по отношению к колебанию на первом входе пятого смесителя 14, Цепочка последовательно включенных смесителей 14 - 17 представляет собой цепь обрат;ной .связи второго усилителя 18 во ; втором автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя 18 выполняется условие баланса амплитуд во втором АИП и частота колебаний на выходе второго усилителя 18 на основании условия баланса фаз равна + 2, (4) a ,--где n 1, 3, 5,.., йри инвертироваНИИ сигнала в цепи, состоящей из последовательно включенных блоков 14 - 18 и 2, 4, 6,... при отсутствии инвертирования сигнала в цеписостоящей из последовательно .. ., -,., - время запаздывания сигнала во I J э л втором усилителе 18. . Включенные в кольцевое соединение смесители 21 - 24 и третий усилитель 25 представляют собой третий автогенераторный измерительный преобразователь, в котором происходят следующие преобразования сигналов, поступающие на вторые входы смесителей 21 - 24. В стационарном режиме при 45

вьтолнении условий баланса фаз и амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе-существует .автоколебание, частота и начальная фаза которого на выходе усилителя 25 соответственно равны fq и Срд КЬлебание с выхода усилителя 25 поступает на первый вход девятого . 21 смесителя, на второй вход которого поступает колебание с выхода первого усилителя 13 с частотой f.

а, и начальной фазой Qa, . На выходе девятого смесителя 21 вьщеляется котретьем автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя 25 выполняется условие баланса амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе третьего усилителя 25 на основании условия баланса фаз равна

.2l.If «.. а Г,,)

(5)

3 лебание с суммарной частотой fg fa и начальной фазой Cfod+ Poij Это колебание поступает на первый вход десятого 22 смесителя, на второй вход которого через линию 19 задержки поступает колебание с выхода первого усилителя 13 с частотой fg и фазовым сдвигом срд + 2nfq c, , где о, - время задержки сигнала в линии 19 задержки. На выходе десятого 22 смесителя вьщеляется колебание с разностной частотой (fg + ... f. + fa,) - fa и фазовым сдвигом ( 2irfa, -t которое поступает на первьй вход одиннадцатого смесителя 23, на второй вход которого через линию 20 задержки поступает колебание с выхода второго усилителя 18 с частотой f и фазовым сдвигом Cfa + 2Vfg.Z: , где-1 - время запаздывания сигнала во второй линии 20 задержки. На выходе одиннадцатого смесителя 23 выделяется колебание с суммарной частотой fg + fa- и фазовым сдвигом , + Чая- ioi , , которое поступает на первый вход двенадцатого смесителя 24. На второй вход смесителя 24 поступает колебание с выхода второго усилителя 18 с частотой f и фазовым сдвигом Cf д , На выходе смесителя 24 выделяется колебание с разностной частотой (fa, fa 7 fa fc, и фазовым сдвигом ( -/ .1 ЧА ) Л 9 Q,) . Следовательно, колебание на выходе двенадцатого смесителя 24 имеет ту же частоту fg , что и колебание на первом входе девятого смесителя 21 и сдвинуто по фазе на величину (fa-i. fa -) ° отношению к колебанию на первом входе девятого смесителя 21. Цепочка поледовательно включенных смесителей 1-24 представляет собой цепь обратной связи третьего усилителя 25 в где К 1, 3, 5,.,. при инвертировании сигнала в цепи, состоящей из последовательно вклю ченных блоков 21 - 25, и К 2, 4, 6,... при отсутствии инвертирования сигнала в цепи, состоящей из последовател но включенных блоков 21 - 25 д - время запаздывания сигнала в третьем усилителе 25. Фазовые сдвиги ЛЦ. и йср пред стащ1йются в следующем виде: фазовый коэффициент термогде С чувствительности поверхностной акустической волйы линии задержки; фазовый температурный коэф фициент силочувствительности поверхностной акустической волны линии задержки;25 изменении ut - приращение температуры. При выборе значения времени запаздывания сигнала С в первой линии задержки 19 в соответствии с условием utft Т сГзэ, ., ff - - .; частота колебаний на выходе третьего усилителя на основании выражений (3) (4) и (5) определяется в виде 1 .1 ,Эз Параметры k, m n, о . э-з, f ээ э Э9 ( С{. И С4 В процессе измерений остаются фиксированными и их значения при известных структуре поверхностной акустической волны линии задержек, нанесенных на мембрану 4, и конструкции усилителей 13, 18 и 26 могут быть установлены. В силу этого частота колебаний на выходе второго усилите ля 18, как следует из выражения (4),

зависит только от значения измеряемой температуры. Частота колебаний на выходе третьего усилителя из выражения (8), при этом зависит только от значения-измеряемого давления.

В динамическом режиме изменения Информационных параметров - температуры и давления - вызывает изменецентра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных встречно-штыревых преобразователей, выход генератора соединен с входными встречно-штьфевыми преобразователями и с вторыми входами первого, третьего, пятого и седьмого смесителей, вторые входы второго ишесто-Ч 1О ние фазовых сдвигов (выражения (1) . и (2) в поверхностной акустической волне в линиях 19 и 20 задержек, нанесенных на обе стороны мембраны приводит следовательно к изменению частот автоколебаний в первом и втором автогенераторном измерительном преобразователе на выходах соответственно первого 13 и второго 18 усилителей, Это приводит к изменению фазовых сдвигов в первой 19 и второй 20 линиях задержек и в конечном итоге к изменению частоты автоколебаний в третьем автогенераторном измерительном преобразоваг теле на выходе, третьего 25 усилителя. В силу того, что параметры К, т, п, о„ не зависят от величины измеряемых параметров (температуры и давления, воздействующих на мембрану 4) по изменению частоты колебаний на в61ходе второго усилителя 18 судят об измеряемой температуры,а по изменению частоты колебаний на выходе третьего усилителя 25 определяют изменение измеряемого давления. Формула изобретения Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый смесители и усилитель, выходом подключенный к первому входу первого, а входом - к выходу четвертого сме. сителя, последовательно соединенные пятый, шестой, седьмой и восьмой смесители и второй усилитель, выходом подключенный к первому входу пятого, а входом - к выходу восьмого смесителя, а также мембранный датчик на поверхностных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от

го смесителей подключены к первому входному встречно-штыревому преобразвателю, а вторые входы четвертого и восьмого смесителей - к второму вы:ходному встречно-штыревому преобразователю, причем четвертый, пятый и седьмой смесители выполнены суммирующими, а второй, шестой и восьмой - вычитающими, отличающ и.й с я тем, что, с целью првышения точности измерений, в него введены две линии задержки и последовательно соединенные девятый, десятый, одиннадцатьй и двенадцатью смесители и третий усилитель, выходом подключенный к первому входу девятого, а входом - к выходу двенадцатого смесителя, при этом первый, десятый и двенадцатый смесители вьтолнены вычитающими, а т ретий, девятый и одиннадцатый - суммирующими, выход первого усилителя подключен к второму входу девятого смесителя и через первую линию задержки к второму входу десятого смесителя, а выход второго усилителя подключен к второму входу двенадцатого и через ВТОРУЮ линию задержки к второму входу одиннадцатого смесителя.