Способ измерения динамического температурного коэффициента частоты кварцевых резонаторов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к области измерения параметров радиоэлектронных элементов и может быть использовано в системах измерения для определения параметров кварцевых резонаторов (КР).

Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерения динамического температурного коэффициента частоты.

Поставленная цель достигается за счет введения определения переходных температурной и частотной характеристик при тепловом воздействии типа единичного скачка и определения динамического температурного частотного коэффициента кварцевогорезонаторапри

dT/dt const 0 на линейном участке переходной температурной характеристики.

На фиг. 1 приведена экспериментальная статическая ТЧХ КР типа РК-187М-А-5 (зав. № 08.84.451); на фиг. 2 - график расчетной переходной температурной характеристики для АТ 10°С,А 10 Вт/см2, с; на фиг. 3 - график переходной частотной характеристики; на фиг. 4 - динамические ТЧХ; на фиг. 5 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения ДТКЧ КР; на фиг. 6 - кинематическая схема манипулятора.

Устройство содержит исследуемый КР 1 термокамеры 2 и 3, датчики 4 и 5 температуры, нагреватели 6 и 7, генераторы 8- 10, преобразователи 11-13 частота - код, источники 14 и 15 постоянного тока, элементы 16 и 17 связи, манипулятор 18, блок 19 управления, самописец 20, вычислительный блок 21, выходы которого соот- ветственно через последовательно соединенные элемент 16 связи и источник 14 постоянного тока и элемент 17 связи и источник 15 постоянного тока подключены к управляющим входам соответственно первой 2 и второй 3 термокамер, выходы датчиков 4 и 5 температуры которых соответственно через последовательно соединенные генераторы 9 и преобразователи 12 частота-код и генератор 10 и преобразователь 13 частота-код подключены к соответствующим входам, вычислительного блока.

Манипулятор состоит из панели 22, упорного подшипника 23, рычага 24, жестко закрепленного на оси 25, тяговых электромагнитов 26-28, полки 29 с подшипником 30, рычага 31 и рабочего органа 32 манипулятора, на котором крепится исследуемый КР1.

Способ измерения ДТКЧ КР реализован следующим образом.

Исследованию подвергается КР АТ-среза типа РК-187М-А-5, зав. №08.84.451.

На первом этапе измерения ДТЧК на

экспериментальной установке (устройство для реализации способа) определяют статическую температурно-частотную характеристику резонатора в диапазоне температур статирования КР (35-75°С). При исследова0 нии партии КР ТЧХ снимают для каждого образца.

Для выбранного типа резонатора (РК- 187М-А-5) моделируют трехмерное нестационарное температурное поле для

5 граничных условий типа конвективного теплообмена и закона изменения температуры в виде единичного скачка. По данным, полученным в результате моделирования, рассчитывают переход0 НУЮ характеристику для интегральной температуры пьезоэлемента.

Экспериментально определяют частотную переходную характеристику для каждого образца исследуемой партии резо5 наторов. Для этого сначала выдерживают образец при исходной температуре до окончания переходных процессов, наблюдаемых по частотомеру, затем перемещают КР в термокамеру с другой температурой, чем со0 здаюттепловое воздействие на КР типа единичного скачка. Через заданные (1-10 с) равные промежутки времени производят измерение частоты автоколебаний генератора.

5 При исследовании двухмодовых КР переходную температурную и переходную частотную характеристики можно снимать параллельно.

По имеющимся характеристикам фиг. 2

0 и 3, исключая время, проводят построение динамической ТЧХ (фиг. 4). Динамическую ТЧХ строят по участкам, для которых выполняется условие dT/dt const 0. Для зтого на переходной температурной ха5 рактеристике определяют интервал времени, в течение которого это условие выполняется, и соответствующий интервал температур, Для последующих вычислений используют только тот учаQ сток динамических ТЧХ, который построен на этом интервале температур. Выбор же интервала температур, соответствующих линейному участку (с наперед заданной точностью), осуществляется та5 ким образом, чтобы точка, в которой определяется ДТЧК, находилась в середине этого участка, причем в этой точке производная dT/dt меняет знак. Это предположение базируется на том, что, согласно правилу А.Ю.Ишлинского, линейная сиетема сколь угодно высокого порядка ведет себя в переходном процессе так же, как и система второго и третьего порядка. Следовательно, в окрестности точки, где dT/dt меняет знак, и будет находиться участок с наименьшим отклонением функции, при изменении аргумента, от линейной.

Задание скорости изменения температуры осуществляется путем изменения уровня единичного воздействия. Это объясняется тем, что при неизменных параметрах термокамеры (коэффициент передачи, постоянная времени) изменяется крутизна переходной характеристики на линейном участке.

По тепловой переходной характеристике (фиг. 2) и построенной динамической ТЧХ вычисляют значение динамического температурного коэффициента частоты а по формуле:

а

Af -At

AT -to

где Af - отклонение динамической ТЧХ от статической при том же значении температуры;

At - интервал времени, в течение которого dT/dt const;

AT - приращение температуры за этот интервал времени;

fo - частота автоколебаний, определяемая по статической ТЧХ для данной температуры пьезоэлемента.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый КР 1 помещается в термокамеру 2, в которой установлено начальное значение температуры для снятия статической ТЧХ КР. Выдерживанием КР 1 при начальном значении температуры до окончания переходных процессов вычислительный блок 21 и самописец 20 регистрируют значения температуры и отклонения частоты A f, затем вычислительный блок 21 дает команду на изменение температуры в термокамере 2 и по цепи элемент 16 связи - источник 14 постоянного тока, нагреватель 6 - датчик 4 температуры - генератор 9 - преобразователь 12 частота-код - вычислительный блок 21 поддерживается новое значение температуры. После окончания переходных процессов вычислительный блок 21 и самописец 20 фиксируют очередную точку статической ТЧХ. Следующий этап - снятие ДТЧХ КР. Для этого в термокамере 2 устанавливают начальное значениетемпе- ратуры и выдерживают КР 1 до окончания переходных процессов, регистрируемых

вычислительным блоком 21. Затем по команде вычислительного блока 21 блок 19 управления выдает сигнал манипулятору на перемещение резонатора 1 в термокамеру

5 3, в которой установлена другая температура, чем создается тепловое воздействие на резонатор 1 вида единичного скачка. Через заданные равные промежутки времени изменения частоты автоколебаний

10 генератора 8 регистрируются в памяти вычислительного блока 21 и на ленте самописца 20. Температура во второй термокамере 3 регулируется по цепи датчик 5 температуры - генератор 10 - преобразо15 ватель 13 частота-код - вычислительный блок 21 - элемент 17 связи - источник 15 постоя иного тока, нагреватель 7. Закон регулирования температуры как в первой термокамере 2, так и ЁО второй термокамере 3

20 задается вычислительным блоком 21. По программе, заложенной в памяти блока 21, строится ДТЧХ путем исключения времени из переходных температурной и частотной характеристик. График по точкам с задан25 ной дискретностью выполняется самописцем 20. Далее вычислительный, блок 21 вычисляет значение а для заданной скорости изменения температуры и регистрирует его на ленте двухкоординатного самописца

30 20.

Один из возможных вариантов реализации манипулятора 18 представлен на фиг. 6. Манипулятор выполняет следующие операции: вертикальный подъем (спуск) исследуе35 мого КР 1 из термокамеры 2 посредством электромагнита 28 через шарнирно соединенные рычаг 31 и рабочий орган 32; горизонтальное перемещение полки 29 с рабочим органом 32, исследуемым КР 1, ры40 чагом 31, электромагнитом 28 от термокамеры 2 к термокамере 3; вертикальный спуск (подъем) в термокамеру 3.

Управление тяговыми электромагнитами осуществляется вычислительным блоком

45 21 через блок 19 управления, содержащий силовые ключи.

Формула изобретения

1. Способ измерения динамического

20 температурного коэффициента частоты кварцевых резонаторов, включающий экспериментальное определение статической температурно-частотной характеристики, определение частотного отклонения от стасс тической температурно-частотной характеристики при постоянной скорости изменения температуры резонатора, не равной нулю (dT/dt const ), и вычисление динамического температурного коэффициента частоты как отношения

частотного отклонения к скорости изменения температуры втотже момент времени, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения, определяют переходные температурную и частотную характеристики резонатора при тепловом воздействии типа единичного скачка, исключая время из переходных температурной и частотной характеристик, определяют температурно- частотную характеристику кварцевого резонатора при dT/dt const & 0 для интервала времени, соответствующего линейному участку переходной температурной характеристики.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что тепловое воздействие типа единичного скачка формируют путем перемещения кварцевого резонатора из термокамеры

с одной температурой в термокамеру с дру- гой температурой.

3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость изменения температуры резонатора задают путем изменения уровня теплового воздействия.

4.Способ по п. 1,отличающийся тем, что интервал температур, соответствующих линейному участку переходной характеристики, выбирают таким образом, чтобы точка, в которой определяют динамический температурный коэффициент частоты, находилась в середине линейного участка.

5. Устройство для измерения динамического температурного коэффициента частоты кварцевых резонаторов, содержащее первую термокамеру, последовательно соединенные первый нагреватель, первый источник тока, первый элемент связи и вычислительный блок, последовательно соединенные первый датчик температуры и первый генератор, последовательно соединенные кварцевый резонатор и второй генератор, двухкоординатный самописец, вход которого подключен к второму выходу вычислительного блока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения, в него введены вторая термокамера, последовательно соединенные второй нагреватель, второй источник тока, второй элемент связи, вход которого подключен к третьему выходу вычислительного блока, последовательно соединенные второй датчик температуры, третий генератор, первый преобразователь частота-код, выход которого подключен к первому входу вычислительного устройства, второй вход которого через второй преобразователь частота-код подключен к выходу первого генератора, а третий вход через третий преобразователь частота-кода подключен к выходу второго генератора, четвертый выход вычислительного блока через блок управления подключен к входу манипулятора.

ЯК - 7 Л1 - /1 - 5 Зе/5. /I/ OS. «. V5/ OQO ООО Гц Та 55 С

т/-с

Изобретение может быть использовано в системах измерения для контроля параметров кварцевых резонаторов. Цель изобретения - повышение точности и сокращение времени измерения динамического температурного коэффициента частоты (ДТКЧ)-достигается тем, что определяют переходную температурную характеристику и переходную частотную характеристику резонатора при тепловом воздействии типа единичного скачка. По этим характеристикам, исключая время, определяюттемпературно- частотную характеристику при постоянной скорости изменения температуры. ДТКЧ определяют как отношение частотного отклонения к скорости изменения температуры. Тепловое воздействие формируют путем перемещения резонатора из термокамеры с одной в термокамеру с другой температурой, скорость изменения температуры резонатора задается путем изменения уровня теплового воздействия. Устройство содержит исследуемый кварцевый резонатор 1, термокамеры 2,3, датчики 4,5 температуры, нагреватели 6, 7, генераторы 8,9,10, преобразователи 11,12,13 частота - код, источники 14, 15 постоянного тока, элементы 16, 17 связи, манипулятор 18,устройство 19управ- ления, самописец 20, вычислительное устройство 21. 2 с. и 3 з.п.ф-лы. 6 ил. СП с XI N3 О1 о N:

55 37 59 ц ц$ 47 49 5/ 55 55 57 S3 Sf 65 65 S7 63 41 73 75

4иг. I

2919211,