Устройство для контроля собственной частоты пьезоэлемента в технологическом процессе изготовления Советский патент 1991 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к области радиотехнических измерений и предназначено для прецизионного измерения параметров ньезоэлемента, например собственной частоты в процессе изготовления, шлифования, напыления подложек и других операций.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет умень шения влияния индустриальных помех и инструментальных погрешностей интегратора, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения регистрации величины и зна- ка отклонения собственной частоты исследуемого пьеэоэлемента от заданной.

На чертеже представлена структур- ная схема устройства.

Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, исследуемый пьезоэлемент 2, первый 3 и второй 4 калиброванные пьезоэлементы с близкими частотами в соответствии с заданной собственной частотой пьезо- элемента, второй 5 и третий 6 управляемые ключи, смеситель 7, супергетеродинный приемник 8, первый управляемый ключ 9, интегратор 10, аналого-цифровой преобразователь 11, счетчик 12, триггер 13, первый 14 и второй 15 буферные регистры памяти, арифметический сумматор-вычитатель 16 и блок 17 индикации с дешифратором. Выход генератора 1 прямоугольных импульсов подключен через согласующие звенья к внешним возбуждающим электродам, между которыми расположены исследуемый пьезоэлемент 2 и калиброванные пьезоэлементы 3 и 4, включенные в аналогичную схему четырехполюсника с минимальными потерями, а также подключенные к счетным входам счетчика 12. Выходы исследуемого пьезоэлемента 2, а также первого 3 и второго 4 калиброванных пье- зоэлементов через второй 5 и третий 6 управляемые ключи подключены соответственно через первый, второй и третий входы смесителя 7 к входу супергетеродинного приемника 8, выход которого соединен с информационным входом первого управляемого ключа 9. Выход ключа 9 соединен с информационным входом интегратора 10, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя 11. Управляющий выход аналого- цифрового преобразователя 11 соеди

д j

Q 5

0

5

0

5

0

5

нен с установочным входом счетчика 12 и входом сброса интегратора 10, Выход счетчика 12 соединен со счетным входом триггера 13, первый,нулевой, выход которого соединен с управляющим входом ключа 6 и управляющим входом первого буферного регистра 14. Второй, единичный, выход триггера 13 соединен с управляющим входом ключа 5, управляющим входом второго буферного регистра 15 и управляющим входом арифметического сумматор а- вычитат ел я 16. Информационные входы первого 14 и второго 15 буферных регистров подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя 11, а информационные выходы первого 14 и второго 15 буферных регистров соединены соответственно с первым и вторым информационными входами арифметического сумматора- вычитателя 16, выход которого через дешифратор соединен с входом блока 17 индикации. Выход счетчика 12 соединен также с управляющим входом первого ключа 9 и управляющим входом аналого-цифрового преобразователя 11. Устройство работает следующим образом.

При одновременной подаче на входы исследуемого и калиброванных пьезо- элементов последовательности прямоугольных импульсов на выходе этих устройств получают импульсные отклики от фронта прямоугольных импульсов и от среза. В зависимости от состояния триггеров 13 через второй или третий управляемый ключ отклики калиброванных пьезоэлементов с частотами, близкими к заданной собственной частоте исследуемого пьезоэлемента и смещенными на малую величину i/Af вместе с откликом исследуемого пьезоэлемента подаются на соответствующие входы смесителя 7. Биения, которые возникают на выходе смесителя 7,получаются при сложении двух гармонических сигналов с близкими частотами (разность частот мала по сравнению с самими частотами). Результат сложения двух затухающих синусоидальных колебаний исследуемого пьезоэлемента и одного из калиброванных соответствует негармоническому колебанию.

Пусть импульсный отклик исследуемого пьеэоэлемента 2 описывается уравнением

W,(t)

«t

A,- sin(uJ,t + Ц, ). (1)

а импульсные отклики первого 3 и второго 4 калиброванных пьезоэлементов соответственно:

С04 (t) A2. sin(C02t COj(t) Aysin(COjt + Cf3) -e

+ )-ё

-erf

Так как возбуждение всех пьезоэлементов производится от одного генератора 1 прямоугольных импульсов, можно считать, что фазы сигналов на пходе смесителя 7 совпадают: (|4 („ Cfj , 36) (1)3 калиброванных пьезоэлементов выбираются смещенными относительно заданной СО, собственной частоты исследуемого пьезоэлемента на величину ± (ДСО 2 и Д f).

Тогда, например, когда триггер 13 находится в состоянии О, сигнал на выходе смесителя 7 равен

Для простоты предположим, что затухание откликов исследуемого и калиброванных пьезоэлементов эквивалентны. Полученный сигнал (4) соответствует негармоническбму колебанию с круговой частотой (СО, + СОг)/2 и переменной амплитудой А, меняющейся по закону

П,(5)

А л|А, + АЈ + 2A,A2cos(&, - С0г ).

Разность СО, - (Ог Q называется частотой биений. Регистрация биений позволяет с большой точностью контролировать достижение собственной частоты исследуемого пьезоэлемента в процессе изготовления заданной. Для повышения помехоустойчивости и точности сигналы с выхода смесителя 7 через супергетеродинный приемник преобразуют по частоте, детектируют и усредняют интегратором 10.

Ошибка измерения определяется в основном точностью фиксации момента равенства сигналов R и Rа на выходе первого 14 и второго 15 буАер

262016

ных регистров, соответствующих циб- ровому преобразование уср-.-днен- ного напряжения на выходе интегратора (0 блоком аналого-цифрового преобоазования для сигналов сравнения импульсного отклика исследуемого пьезоэлемента с перчым и вторым калибром соответственно. Арифметический сумматор-вычитатсль 16 периодически сравнивает цифровые сигналы с выходов буферных регистрог 14 и 15 и в момент равенства НУЛЮ фиксирует через деши.Фр пор на блок 1 7 индикации (R, 5

10

15

кг) о,

Формула нзгбрете

и я

20

25

, 30

35

40

45

50

55

Устройство для контроля собственной частоты пьезсэлемента в технологическом процессе изготовления,содержащее генератор прямоугольных импульсов, выход которого подключен к внешним возбуждающим электродам для подключения исследуемого и калиброванного пьезоэлементов, первый калибровочный пьезоэлемент, последовательно соединенные смеситель, супергетеродинный приемник, первый ключ, интегратор и аналого-цифровой преобразователь, управляющий выход которого подключен к входу установки счетчика, счетный вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход - к управляющим входам первого ключа, интегратора и аналого-цифрового преобразователя, при этом выходной электрод для подключения измеряемого пьезоэлемента подключен к входу смесителя, а также блок индикации с дешифратором, отличающееся тем,что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены внешние возбуждающие электроды для подключения второго калиброванного пьезоэлемента,второй калиброванный пьезоэлемент,второй и третий управляемые ключи,счетный триггер, первый и второй буферные регистры и арифметический сумматор- вычитатель, выход которого подключен к входу блока индикации с дешифратором, а информационные входы - к информационным выходам соответственно первого и второго буферных регистров, информационные входы которых подключены к информационному выходу аналого-цифрового преобра716262018

зователя, счетный вход триггера под-довательно соединенные внешние

ключей к выходу счетчика, единичныйвозбуждающие электроды, между коБЫХОД счетного триггера подключенторыми подключен второй калиброк управляющим входам первого ключа , ванный пьезоэлемент, и первый ключ

рого буферного регистра иарифметичес-подключен к второму входу смесителя,

кого сумматора-вычитателя,а нулевойтретий вход которого через второй

выход - к управляющим входам второго уп-вправляемый ключ подключен к выходравллемого ключа и первого буферногоному внешнему возбуждающему электрегистра, при этом выход генератора JQроду для подключения первого калибпрямоугольных импульсов через после-рованного пьезоэлемента.

Изобретение может быть использовано для прецизионного измерения параметров пьезоэлементов в технологических процессах. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей - достигается за счет уменьшения влияния индустриальных помех и инструментальных погрешностей интегратора, а также обеспечения регистрации величины и знака отклонения собственной частоты исследуемого пьеэоэлемента от заданной. Для этого в устройство введены второй качибрпванный пьезоэлемент 4,второй 5 и г ретий 6 управляемые ключи,первый 14 и второй 15 буферные регистры, триггер 13 и арифметический сумма- тор-вычитатель 16. При работе VCTPOU- ства сигнал с выхода генератора 1 прямоугольных импульсов поступает на исследуемый пьезоэлемент 2, а также на первый 3 и второй 4 образцовые элементы, частота которых близка к частоте исследуемого пьсзоэлемента 2. Биения, которые образуются в смесителе 7, выделяются супергетеродинным приемником 8 и через первый ключ 9 и интегратор 10 поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 11, цифровой сигнал с выхода которого запоминается в буферных регистрах, а затем обрабатывается в сумматоре-вы- читателе 16, а информация отображается на блоке 17 индикации с дешифратором. 1 ил. (Л о to С& го