Ультразвуковое устройство для измерения физических величин Советский патент 1992 года по МПК H03H9/00 

Рмг.2

Изобретение относится к области измерений физических величин, таких как температура, сила, давление, и может быть использовано в автоматике.

Известны устройства для измерения физических величин, содержащие линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), входной и выходной встречно-штыревые преобразователи которой, расположенные на поверхности пьезоэлектрического звукопровода, соединены с входом и выходом широкополосного усилителя, а также соединенный с ними регистратор частоты.

Недостаток известного устройства заключается в зависимости его информационного параметра - частоты не только от воздействия физической величины, но и от нестабильности сдвига фазы в усилителе и элементах электрического согласования, что приводит к снижению точности измерения.

Другое из известных устройств, предназначенное для измерения физической величины, в частности температуры, содержит две линии задержки на ПАВ, каждая из которых включена в цепь обратной связи одного из двух усилителей и состоит из двух встречно-штыревых преобразователей, расположенных на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода в общем акустическом канале.

Функциональная зависимость частоты от воздействия температуры, фиксируемая регистратором этого устройства, отличается повышенной линейностью.

Однако устройство не обеспечивает требуемой точности измерения без принятия мер по исключению влияния нестабильности сдвига фазы в усилителях и многочастотного режима его работы.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, соединенные соответственное выходом генератора электрического сигнала и входом регистратора этого сигнала. Кроме того, в устройство между выходом генератора и входом регистратора введены фазовый детектор и регулируемый фазовращатель, при этом один вход фазового детектора соединен с выходным преобразователем, другой - с фазовращателем, а выход - с регистратором сигнала, вход фазовращателя соединен с входом генератора.

Однако точность зтого устройство ограничена нелинейностью характеристики фазового детектора, неоднозначностью измерения особенно при больших пределах изменения физической величины и дрейфом его нуля. Кроме того, конструкция устройства сложна.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в общем акустическом канале расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, соединенные с выходом генератора электрического сигнала и входом регистратора параметров этого сигнала соответственно, введен электрический канал, соединяющий входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, расстояние между которыми выбрано из соотношения

V

2f(

AL AV

)

где L - расстояние между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, м;

V - скорость распространения ПАВ,

0 м/с;

f - частота электрического сигнала, Гц; A L и А V - абсолютные приращения длины звукопровода и скорости распространения ПАВ между преобразователями в

5 заданном интервале изменения измеряемой величины, м и м/с соответственно.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается новыми признаками: между

0 преобразователями введен электрический канал для исключения неоднозначности измерения и, следовательно, повышения точности расстояние между преобразователями выбрано во взаимосвязи с интерва5 лом изменения измеряемой величины.

На фиг. 1 показана структурная схема ультразвукового устройства для измерения физических величин; на фиг. 2 - конструкция пьезоэлектрического элемента этого ус0 тройства.

Ультразвуковое устройство для измерения физических величин содержит генератор 1 электрического сигнала, выход которого соединен с входным встречно5 штыревым преобразователем 2 пьезоэлектрического элемента 3, а выходной встречно-штыревой преобразователь 4 элемента 3 соединен с входом регистратора 5 электрического сигнала. Ъба преобразователя 2, 4 расположены соосно друг другу в

одном акустическом канале на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопро- вода 6. При этом штыри преобразователей 2, 4 выполнены перпендикулярно одной из кристаллографической осей звукопровода 6, вдоль которой зависимость его длины и скорость распространения ПАВ от воздействия физической величины относительно велики. Наикратчайшее расстояние между преобразователями 2, 4 выбрано из соотношения

V

2f(

AL AV

)

где L - расстояние между входным 2 и выходным 4 встречно-штыревыми преобразователями, м;

f-частота электрического сигнала генератора 1, Гц;

V - скорость распространения ПАВ. м/с;

A L и Д V - абсолютные приращения длины звукопровода 6 и скорости распространения ПАВ между преобразователями 2, 4 в заданном интервале изменения измеряемой величины, м и м/с соответственно.

Кроме связи преобразователей 2, 4 по акустическому каналу между ними введено электрическое соединение - электрический канала, образованный гальваническим соединением их через резистивный слой проводника 7, выбор состава и геометрических размеров которого позволяет задавать степень их взаимосвязи между собой при одном и том же фазовом сдвиге сигнала на преобразователе 4. Исходный состав проводника 7 может быть задан резистивный материалом типа РС-3710. В другом варианте устройства электрический канал может быть образован за счет электрической емко- стной связи между преобразователями 2, 4 посредством, например, расположенного над ним проводящего экрана.

Ультразвуковое устройство для измерения физических величин работает следующим образом.

При подаче непрерывного электрического сигнала с выхода генератора 1 на входной преобразователь 2 и через резистивный проводник 7 на выходной синхронизма обоих преобразователей 2,4, одни за счет явления обратного пьезэффекта преобразуют электрический сигнал в акустический. Акустический сигнал в виде ПАВ переносится по поверхности звукопровода б и двух противоположных направлениях перпендикулярных штырям преобразователей. Часть потока энергии ПАВ, распростра

няющейся в направлении ближайшего ребра звукопровода, нейтрализуют с помощью поглотителя (на фигурах не показан). Другая часть потока энергии ПАВ рас- 5 пространяется по акустическому каналу, образованному апертурой входного преобразователя 2 и поверхностью звукопровода, от преобразователя 2 до преобразователя 4 и задерживается во времени.

10 Время задержки акустического сигнала в элементе 3 определяется скоростью распространения ПАВ и расстоянием L между преобразователями 2, 3. Начиная с момента одновременного обратного преобразова15 ния акустического сигнала в электрический сигнал на преобразователе 4, определяемого прямым пъезоэффектом, механические колебания обоих ПАВ, как распространяющейся по акустическому каналу с временной

20 задержкой, так и образованной непосредственно на преобразователе 4 без фазового сдвига (задержки) в электрическом канале, интерферируют друг с другом, образуя на выходе элемента 3 результирующую амп25 литуду электрического сигнала, которую фиксируют регистратором 5. Непреобразовавшуюся в электрический сигнал часть акустической энергии ПАВ, прошедшую преобразователь 4, демпфируют в области

30 ближайшего к нему ребра звукопровода, как описано выше. Амплитуда электрического сигнала на выходе пьезоэлектрического элемента 3 при фиксированной частоте генератора 1 за висит от текущей разности фаз

35 сигналов, прошедших через оба канала.

При воздействии на пьезоэлектрический элемент 3 внешней физической вели- чины, такой как сила, давление или

40 температура, изменяется разность фаз колебаний ПАВ на преобразователе 4, что приводит к изменению амплитуды электрического сигнала на выходе элемента 3. Непрерывное изменение значения воздей45 ствующего на элемент 3 внешнего фактора приводит к непрерывному изменению амплитуды электрического сигнала на выходе этого элемента. Амплитуда сигнала при этом максимальная, когда разность фаз ко50 лебаний ПАВ на преобразователе 4, определяемая выражением

Ap 2arf-| -.

где Ар- разность фаз колебаний ПАВ на преобразователе 4, град, равную нулю ( А 0), и минимальна, когда , Таким образом, по значению амплитуды электрического сигнала, фиксируемой регистратором 5. получают информацию о значении измеряемой физической величины.

Используя выражение (1), чувствительность данного устройства,.выраженная через набег фаз колебаний ПАВ и фиксированную частоту, определяют выражением

(-AL AV

s

А«)

: ...Г .

ДА

)

VAA

где ДА - заданный интервал изменения измеряемой физической величины.

За счет возможного задания уровня сигнала, прошедшего через электрический канал, соизмеримого с уровнем сигнала, прошедшего через акустический канал, достигается линеаризация зависимости амплитуды электрического сигнала на выходе устройства от значения измеряемой физической величины, а за счет выбора расстоя- ния между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями устройства согласно соотношению (1) исключается неоднозначность измерения физической величины, чем обеспечивается высокая точность этого измерения. К тому же, доступность контроля частоты электрического сигнала генератора устройства в моменты считывания информации исключает погрешность, связанную с возможной нестабильностью генератора.

Достоинством данного устройства также является возможность получения информации о физической величине посредством других параметров электрического сигнала,

0

5

0

а именно частоты или разности фаз при слежении за одним и тем же значением амплитуды на выходе его пьезоэлектрического элемента, что расширяет выбор нужного типа регистратора.

Формула изобретения Ультразвуковое устройство для измерения физических величин, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены входной и выходной встречно-штыревой преобразователи, соединенные с выходом генератора электрического сигнала и входом регистратора параметров этого сигнала соответственно, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введен электрический канал, соединяющий входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, расстояние между которыми удовлетворяет соотношение

L

V

2f(

AL

AV ,

-у-)

где V - скорость распространения поверхностных акустических волн, м/с;

f - частота генератора электрических колебаний, Гц;

Д L и Д V - абсолютные приращения длины звукопровода и скорости распространения поверхностных акустических волн между преобразователями в заданном интервале изменения измеряемой величины, м и м/с соответственно.

Изобретение относится к области измерения физических величин, таких как температура, сила, давление, и может быть использовано в автоматике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Для достижения цели ультразвуковое устройство для измерения физических величин содержит пьезоэлектрический звукопровод 6, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены входной 2 и выходной 4 встречно-штыревые преобразователи, соединенные с выходом генератора электрического сигнала и входом регистра параметров этого сигнала. Расстояние между встречно-штыревыми преобразователями удовлетворяет соотношению L V/2f( Д L/L- Д V/V), где V - скорость распространения поверхностных акустических волн, м/с; f - частота генератора электрических колебаний, Гц; Д L и Д V - абсолютные приращения длины звукопро- вода и скорости распространения поверхностных акустических волн между преобразователями в заданном интервале изменения измеряемой величины, м и м/с соответственно. 2 ил.