Датчик перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B17/00 

05 00

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений и температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений.

На фиг. 1 приведена функциональн схема датчика перемещений{ на фиг.2 и 3 - спектры колебаний, получаемых на выходах соответственно первого и второго двухчастотных автогенераторов.

Датчик перемещений содержит пье- зоэлемент 1 , первый двухсекционный неподвижный электрод 2 которого выполнен переменной толщины и включён в схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьезо- элемента I установлен с возможно- стью перемещения вдоль поверхности, этого пьезоэлемента 1 и также выполнен .двухсекционным, причем первая секция 6 подвижного электрода 5 подключена к схеме первого двухчастотного автогенератора 3, а вторая секция 7 подвижного электрода 5 - к схеме второго двухчастотного автогенератора 4. Выход первого двухчастотного автогенератора 3 через последовательно соединенные полосовой фильтр. 8 и первый усилитель 9 высокой частоты подключен к первому выходу датчика, а через последовательно соединенные первый фильтр 10 нижних частот и второй усилитель 11 высокой частоты - к первому входу смесителя 12, связанного выходом через второй фильтр 13 нижних частот с вторым выходом датчика. Выход второго двухчастотного автогенератора 4 через последовательно соединенные третий фильтр 14 нижних частот и третий усилитель 15 высокой частоты подсоединен к второму входу смесителя 1 2. Датчик перемещений работает следующим образом.

В исходном состоянии при нулевых перемещениях подвижного электрода 5 пьезоэлемента 1 этот электрод установлен так, что его плоскость симметрии проходит вдоль границы раздела неподвижного электрода 2 на две разнотолщинные двухступенчатые секции одинаковой площади, но различного объема. Причем каждая из,, двух- ступенчатьк разнотолщинных;секций неподвижного электрода 2 отличается

0

5

0

от другой толщиной своих ступенек, а по площади все четыре ступеньки электрода 2 одинаковы. Симметрично относительно центра симметрии каждой из двухступенчатых половин неподвижного электрода 2 в исходном состоянии устанавливаются секции 6 и 7 подвижного электрода 5. Благодаря многоступенчатой конструкции неподвижного электрода 2 пьезоэлемента ,1 в предлагаемой колебательной системе при ее включении в схему мно::очас- тотного автогенератора оказьюается возможным одновременное возбуждение нескольких достаточно интенсивных ангармонических колебаний, число которых в данном случае равно числу ступенек тонкопленочного электрода 2.

5

0

В результате этого на частотах, зависящих от толшины активной зоны пьезоэлемента 1 и пропорциональных величин 1/0,25а, где а - размер электро5 да 2, в пьезоэлементе 1 возникают четыре ангармонических колебания с частотами Wj - со. Вследствие эффекта захвата энергии энергия первого уз них с. частотой И, в основном сос0 редоточена между первой секцией 6 подвижного электрода 5 и перекрывающейся с ней частью электроды 2 наименьшей толщины. Энергия второго колебания с частотой (0, сосредоточе5 на между секцией 6 подвижного элек- трода 5 и второй половиной левой секции электрода 2 переменной толщины, Энергия ётьего; колебания с частотой

0 зоэлемента

подвижного электрода 5 и наиболее толс той частью электрода 2 переменной толщины. Энергия четвертого колеЙ сосредоточена в области пье- 1 между правой секцией 7

бания с частотой й сосредоточена в теле пьезоэлемента 1 в основном между секцией 7 подвижного .электрода 5 и правой-половиной второй секции электрода 2 переменной толщины. Разнос между частотами (О, - СО четырех ангармонических колебаний определяется разностью масс разнотолщинных частей электрода 2, перекрывающихся в каждый момент времени пов ерхно- стями правой и левой секций 6 и 7 подвижного электрода 5. Это свйзано с тем, что в областях пьезоэлемента 1 , находящихся между взаимно перекрывающимися областями электродов 6,7 и 2, создаются благоприятные условия

для локализации энергий соответствующих ангармонических колебаний.

Возбуждение всех четырех ангармонических колебаний в пьезоэлемен- те 1 возможно и при использовании одного автогенератора, который должен работать при этом в многочастотном режиме. Однако такой режим работы связан с возникновением на выхо- де автогенератора большого числа ком бинационньтх частот, что приводит к трудности селекции информационных составляющих спектра выходного сигнала,, а также значительно ухудшает кратковреме;нную стабильность этих частот. В результате этого растет уровень 1пума на выходе селектирующих элементов датчика перемещений, а следовате.пьно, повышается погреш- ность нуля при измерениях последних. Для снижения уровня нестабильности частоты информационных составляющих выхоных сигналов датчика, а также для обеспечения необходимого низкого

уровня побочных составляющих спектра в предлагаемый датчик перемещений введен второй двухчастотньй автогенератор 4, в схему которого подключены электрод 2 переменной

толщины и правая секция 7 подвижного электрода 5.

Таким образом, двухчастотньй автогенератор 3 обеспечивает непрерывное возбуждение ангармонических ко- лебаний с частотами со, и do (фиг.2 а двухчастотньй автогенератор 4 - генерацию ангармонических колебаний с частотами со и а (фиг. 3) . Поскольку каждый, из двухчастотных авто- генераторов 3 и 4 содержит нелиней- ньй элемент - транзистор, то в спектрах их выходных сигналов содержатся составляющие с частотами п(о, г и mWj ± тс04 соответственно, где тип - целые числа. При этом максимальные амплитуды в спектрах выходных сигналов автогенераторов 3 и будут иметь составляющие с суммарными (О,., и со(.2 3 также с разностны- ми сДр, и Мр частотами, прдаем

Wi -,

Qp, СО,- COj-,

«c w,+c04-,

G)pj. c04-C0j.

Составляющая выходная сигнала автгенератора 3 с суммарной частотой вьделяются из дискретного спек.тра

(фиг.2) и через первый уа нлитель 9 высокой частоты поступает на первый выход датчика. Разностная составляющая спектра этого же сигнала с частотой to р, селектируется первьм фильтром 1 О нижних частот и через второй усилитель П высокой частоты поступает на один из выходов смесителя 12, на второй вход которого поступает сигнал с разностной частотой cOp,j, вьиеленный HZ выходного сигнала второго двухчастотного автогенератора 4 с помощью третьего фильтра 1 4 нижних частот и усиленный третьим усилителем 1 5 высокой частоты.

Сигнал с выхода смесителя 12, содержащий составляющие с комбинационными частотами пИр,, поступает на вход второго фильтра 13 нижних частот, который вьщеляет составляющую с разностной частотой Этот сигнал затем поступает на второй выход датчика.

При перемещении электрода 5 вправ масса электрода в активной зоне наиболее высокочастотного колебания с частотой W, уменьшается, а в активной зоне колебания с частотой W, - увеличивается. В результате изменения частот QJ и СЛ, будут разными по знаку и примерно равными по величине, причем СО, увеличивается, СО уменьшается, а разностная частота tOp, «ы,- (ja. растет (фиг. 2) В отличие от этого смещение вправо подвижного электрода 5 приводит к уменьшению массы неподвиядаого электрода 2 в зоне активных колебаний наиболее низкой частоты 65 и к соответствующему увеличению массы электрода 2 в активной зоне колебаний с частотой СО . В соответствии с этим частота 63Jрастет, частота 63 падает, а разностная частотам 02 604 - со J Уменьшается (фиг.З). Информационные частоты С04 60р, и сОр, являются функциями обоих измеряемых датчиком физических величин - температуры Т и перемещения /il. Для указанных частот получим

с, (,)4о34о- 5т + ЛО),)-,

С0р,(со,, + )-{и1о- «а + с.и2т); :Wpl(4o-Ш4 +Ш4т ;(iQ+ьco, + co),

где со,о , СЛц,,

Ыэо начальные значения частотса, -U при

р, ,лсо

&U

г

гт

ЛМ, &СО

среднем положении подвижного электрода 5;

- приращения частот W, ьОф при перемещениях электр ода 5 относительно симметрии пьезоэлемен- та 1 ;

Лт

, МАТ температурные приращения частот СО, -гбЭ,}. при изменениях температуры Т окружающей среды. Суммарная частота ОЭ практически е зависит от величины перемещений и вляется с большой точностью приблиения функцией только температуры Т

, (,)- 2&сэ,

где tw °

(о,, + ) - среднее приращение суммарной частоты QP, под воздействием темцературы. Результирующая разностная частота

(О

р

о . J -со р, -(о зд + COoel - (to ,о-(- (о ,0 jj

-«-со

Ь(&т) ми

(О,

.),

35

30

«2

&4(&Да) М,

разнотолщинных частей левой и правой сектой неподвиясного электрода 2 { - массы четырех разнотолщинных частей неподвижного электрода 2J

Л,(4т) , ,

аф(&т) - приращения разностей масс разнотолщинных

- м(

- f ) Л,(ЛШ1)

30 высокой частоты, входы полосового фильтра и первого фильтра нижних частот соединены с .. выходом перв го двухчастотного генератора, оди из электродов пьезоэлемента выпол нен переменной толщины и закрецле на его поверхности, а другой уста новлен с возможностью перемещения вдоль противоположной поверхности пьезоэлемента, отличающи с я тем, что, с целью повьшения точности измерения перемещений, о снабжен последовательно соединенными смесителем и вторым фильтром нижних частот, последовательно соединенными вторым двухчастотным автогенератором, третьим фильтром нижних частот и третьим усилителе высокой частоты, выходы второго и третьего усилителей высокой частоты соединены с входами смрсител подвижный и неподвижный электроды пьезоэлемента выполнены двухсекци оиньми, а вторая секция подвижног электрода и неподвижный электрод

частей электрода 2. в активньпс зонах колебаний с g соединены с вторьм двухчастотньм

частотами Ы, - jавтогенератором.

,

5

вьделяемая из выходного сигнала смесителя 12 посредством второго фильтра 13 нижних частот, практически не зависит от температуры и определяется лишь значением измеряемого перемещения.

Таким образом, изменение.функци- , ональной схемы известного датчика

Q перемещений и. усовершенствование конструкции чувствительного элемента этого датчика обеспечивают повы- шеаие практически в два раза крутизны характеристики преобразования пе5 ремещение - частота. В свою очередь, это приводит к соответствующему по- вьшению точности измерений и снижению порога чувствительности датчика.

Форм ула изобретения

0

Датчик перемещений, содержащий первый -двухчастотный автогенё ратор пьезоэлемент с двумя электродами, соединенными с первьм двухчастотньм

5 генератором, последовательно соединенные полосовой фильтр и первый усилитель высокой частоты, последовательно соединенные первый фильтр нижних частот и второй усилитель

0 высокой частоты, входы полосового фильтра и первого фильтра нижних частот соединены с .. выходом первого двухчастотного генератора, один из электродов пьезоэлемента выполнен переменной толщины и закрецлен на его поверхности, а другой установлен с возможностью перемещения вдоль противоположной поверхности пьезоэлемента, отличающий- с я тем, что, с целью повьшения точности измерения перемещений, он снабжен последовательно соединенными смесителем и вторым фильтром нижних частот, последовательно соединенными вторым двухчастотным автогенератором, третьим фильтром нижних частот и третьим усилителем высокой частоты, выходы второго и третьего усилителей высокой частоты соединены с входами смрсителя, подвижный и неподвижный электроды пьезоэлемента выполнены двухсекци- оиньми, а вторая секция подвижного электрода и неподвижный электрод

0

5

0

,-u/2

л:-L

(iJl

CDuz.l

и).

C1

tt}

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений. Предлагаемый датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, первый двухсекционный электрод 2 которого выполнен переменной толщины и включен в схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьезоэлемента 1 установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности этого пьезоэлемента 1 и также выполнен двухсекционным, причем первая секция 6 подвижного электрода 5 подключена к схеме первого двухчастотного автогенератора 3, а вторая секция 7 подвижного электрода 5 - к схеме второго двухчастотного автогенератора 4. Выход первого двухчастотного автогенератора 3 через последовательно соединенные полосовой фильтр 8 и первый усилитель высокой частоты 9 подключен к первому выходу датчика (данные температуры), а через последовательно соединенные первый фильтр нижних частот 10 и второй усилитель высокой частоты 11 - к первому входу смесителя 12, связанного своим выходом через второй фильтр нижних частот 13 с вторым выходом датчика (данные о перемещении). Выход второго двухчастотного автогенератора 4 через последовательно соединенные третий фильтр нижних частот 14 и третий усилитель высокой частоты 15 подсоединен к второму входу смесителя 13. 3 ил.

,

to,

сг

(t)

Фиг.з