Устройство для измерения напряжения Советский патент 1980 года по МПК G01R19/00 

Наиболее близте м гслго;.-,.;.:;-.у.,.; ;,)еч-;; нием к данное:у ;чзг,б;.)аг11/:.0 ;v: устройсгьс д.о;. -.;;v;o vv ;;. ;.:: vy: напряжения, -rn-r-p/ve с;, :.,. с;; :.. :;..,-:;- ;/:;;

М8НТ, к ЭЛеКТрОЦаМ XO -r/pv/:. ;|Г,,г о - . ;;

изглернемсе ааиря ;-:эк;:;о, К|Ор:-5р.:ЗСзе: :: ;деформации в электрггзесЕдао ззоОччкну (пьезорезонатор) и указатегль, яричем, преобразователь деформации, яв1:жошш5ся пьезоэлектрическим резонатором; зыпсл ненным КЗ линейного кристалла кзарп в виде удлиненной в направпеник сек пластины AT - среза, снабжекмой злзхз одами для включения з схзыу аазоГз--. нератора и механически жестко связанНой г Торцами упомянутого пьезоэле™ мента. Причем, пьезоэлемент и пьезсрэ зонатор выпо.лнены из одного матеряаг-.с: кварца, а точки кх механическсгс сУз-динения расположень вдоль оси X j -3 ,

Недостатками прототипа язлгются; недостаточная точность измеренач, свя.-занная с использованием лкнйккзг-з пзэ-зоэлектрического кристалла тшарца; у которого числанткыз зз -зкзз пьеззк-з-:фициентов малы, а, следозатагагНЗ; к-згз и возникаюл:; 9 пзфррмзття.И; : водят к малым ЗЗМЗЕЗКИЯМ чзз.з :: з-дающего размэра :1ьзяор8зозз::ч:р з зрзменяемык АТ-Зрез пластины-ч:зазг(р -- тимизирозе:; г:-пь:сз v):: .3:3.3,:,. коэффициенту частоты, г. не ас 3iv:333rv:3му параметру; налинейнссть иткалы з;..з5рения, поскольку прк Л1шейкой двфзрг-тз-. ции, относительное измэмен.ие чзз. пъезорезонатора описызазтсу иэгатзейзой функцией упругих модулем зтззз з : трз тьего порядков, что пркволиг к нзз;з:(сй- ной зависимос1и выходнрго пзра1ч-лзтр2 зз величины измеряемопо напряжения.

Целью изобретения является повышение точности и получение линейной зависимости выходного сигнала от измеряемого напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержщем пьезорезонатор, снабженный первой парой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезрезонатора, и подключенных к схеме генератора, смеситель и индикатор дополнительно введены генератор и конденсатор, пьезорезонатор снабжен второй пв-« рой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, каж. дый из электродов второй пары подключ через упомянутые конденсаторы к введе ному генератору, подключение каждого

35pjji К гзпэратору гззж E;,;}iG3iv:з{о 3;рзз ioii.uGHcarop)i, а . .; . 3.---: ..р;г;у3,.-: з.1:::::х злекгрода ,.3..:..,:..:; it;..j г;зрбп1з кагуилш кндук.:1. ..;.- 3..eii-3.t3iTb г-,.зчпу собой, причем йзмузгезм-е напряжен.э подключено к зДКз-З з:о5 з зкгрсдоз каждой пары через зтсрью казушки икду13 квяссти,.

Усзрсйстдз содержит пьезорезистор, которьй выполнен из нелинейного пье,зокрисгаатта, nanpjsviep, мокохристалла нхобага лиз:кз;з

На - TRPTsxte шэедс азлзЕа электрическая зхзтза устрзйз:за.

УслЗззззво зззтсз;:г 3 пь9зсрезона. тсра ;.; зъгоолнззнсзс кз кзлиззйзсзо пьезокристш1ла Б плас ины, к которой две лрОГиволе :аптЕе па-ээ.злзльные

ыаль к 3-:зззетз ysT наппаэлению

. з-зззапь; .,:..зт ;73зз.зщ;Э злекТ .;7зь р : 3, -J vi;f поз л ;.рз:..л3 1эцгро

Не;зэЗлзз;:;зз;,з9 электроды 6 и 9, после- ;з:.-...3.3:3 зздзаэнныз между собой че-393 /Ззву: ГЗЗуЦЖу И ДртТИБНОСТИ 10,

ззд x3:3 v3H3r з к.земме 1 i, ка которую з:зд 3л33 33i33nqeMoe Еапряжекиэ через ..: 3j.33:pv зздукз азяостз J..2.

-:лЗ;33ззз)з-1з(ие з.пел;гродь; 7 и 8, зоз.пздзойгззьпо зоединеянь-е между собой -дзраз лерзудо катуижу индуктивности 13 псдх7Г3-езг1 Z клемме 14, на которую подаэззя ззмззяемое напряжение через .зчтуаку и дук изнсст { з5.

.зо -са11тие элехтрсды 6 и 8, з&рез зонденсаторы 16 и 17 подключены к генератору 4, а противолежащие электроды 7 и 9, через конденсаторы 18 и 1 подключены к генератору 5, Выходы генерат-оров 4 и S подключены ко входу смесителя 20, к выходу которого подключен индикатор 21.

Устройство работает следующим образом. До Подключения :измеряемого i напряжения (J v на клеммы Ilk 14, возбуждающее напряжение с двух одинаковых генераторов 4 и 5, подается на соответствующие электроды 6, 8, 7 к 9, через конденсаторы 16, 17, 18 и 19. При этом на частоте возбуждается пьезорезонатор. Сигналы с генераторов 4 и 5 частоты fp поступают на вход смесителя 20. При этом, разностный сигнал с выхода смеситаля равен нулю. Измеряемое напряжение, подключенное к

клеммам li и ч.4, поступает через катушки и гдуктиБР1ости 12, 15, 10 и 13 к накрестлежаплтм электродам 6 и 9, 7 и 9. Индуктивность катушек 10, 13, 12 и 15 выбирается таким образом, чтобы источник измеряемого напряжения при подключении не влиял на i частоту колебаний генераторов 4 и 5. Емкость с конденсаторов 16, 17, 18 и 19 выбирается из условия С 7 Ср, где Ср- электрическая емкость пьезорезонатора. Рабочее напряжение конденсаторов .должно соответствовать вел1гч1гне верхнего предела шкалы измерений. Измерительное нааряжение создает в объеме пьезорезонато- ра 1, вьшолненного из нелинейного гге езоэлектрвлескогоА кристалла, электрическое поле, которое за счет упругоэлектрического эффекта, заключающегося в изменении ттругости кристалла от величины напряженности электрического поля, приводит к изменению частоты колебаний резонатора. Нелинейные пьезоэлектрические кристаллы характеризуются большим изменением частотной постоянной среза кристапла от величины электрического поля. Относительное изменение частотыл1/{ пьезорезонатора из нелинейного ньезокристалла, от величины напряжености электрического поля Е, описывается вьфажением:

.2

..обЕ + рЕ ,

где 0(, и Р) Коэффициенты, являющиеся комбинациями упругих модулей второго порядка и упр тоэлектрических коэффициентов кристалла. Характер изменения частоты нелинейного пьезоре- зонатора определяется типом колебания, направлением распространения и направлением приложения электрического поля. Выбор направления распространения и типа колебаний, а также направления приложения электрического напряжения, позволяет определить срез кристалла и изготови1ъ дтьезорезонатор, который обладает максжлально--линейной завнси- мостью изменения частоты от величины измеряемого напряжения, т.е. для которого величина коэффициента (X, мнозгчз больше коэффициента /3 . Такой срез может обладать некоторым температурным Коэффициентом частоты. Поэтому, повышение термостабильности в данном устройстве достигается конструктивным выполнением резонатора, а именно, Применением на одном кристаллическом срезе двух наз электродов 6, 7, 8 и 9

включенных в схемы двух одинаковых генераторов.

Перекрестное включение электродов 6 и 9 и 7 -8 к измеряемому напряже5 нию приводит к тому, что, например, сигнал с генератора 4 будет иметь частоту i,-. + Аг , а сигнал с генератора 5:

ff

XQ - Л. ± . Сигналы с генераторов 4 и 5 поступают на вход смесителя 20,

0 в котором выделяется разностный сигнал частотой 2д . Этот сигнал регистрируется индикатором 21, шкала которого проградунрованав вольтах.

Предлагаемое устройство при изготовлении пьезореэонаторов из монокристаллов ниобата и танталата лития с размерами 10 X 5 X 2 мм и выполнении электродов 6, 7, 8 и 9, площадью 16 мм каждый путем нанесения на про-

тивоположные параллеЯьные грани 2 и 3 с помощью вакуумного напыления серебра, а также при ориентации нормали к граням вдоль оси Y или1. кристалла и ориентации длины пластины пьезорезона торов вдоль направления оси X имело точность измерения напряжения 0,02%.

Поскольку, диапазон измерений определяется геометрией пьезорезонатора и на-

Q пряжением пробоя, то используя, для этого пластины большей толщины и увеличивая расстояние между электродами на поверхности, можно расширить диапазон измерений до ± 1О кв.

Использование данного устройства для измерения напряжения по сравнению с существующими устройствами обеспечивает следующие преимущества: линейность щка-1 лы в широком диапазоне измеряемых напряжений, что достигается выбором типа колебаний пьезорезонатора, направлением распространения колебаний и направлением приложения электрического напряжения; большое входное сопротивление и малая входная емкость, необходимые для подключения устройства к неизвестным измеряемым источникам напряжения без изменения выходных характеристик. Так, в случае использования в устройстве резонатора из ниобата лития, входное сопротивление составило 2х10 Ом, а входная емкость 6 пф. В случае использования танталата лития; входное сопротивление составило 5x10 Ом, входная емкость

f 4 пф; повышение точности и термостабильности устройства достигается путем использования на одной пластине пьечзорезона- тора двух пар электрода, включенных в схему двух одинаковых 1 енераторов и