Дифференциальный пьезоэлектрическийпРЕОбРАзОВАТЕль Советский патент 1981 года по МПК G01L1/16 

1

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для измерения механических усилий, ускорений, перемещений, давления и температуры.

Известен дифференциальный преобразователь механических усилий, содержсцций упругое кольцо с пьезоэлектрическими вибраторами ll.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является диффренциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьезорезонатора, укрепленных на упругом элементе и подключенных к двум ав тогенераторам, и,смеситель Сз Недостатком этих устройств является возможность измерения лишь одного параметра - силы. В устройстве, взятом за прототип, чувстёительными элементами автогенераторов которого являются пьезокварцевые резонаторы, измеряемое воздействие, в частности сила, приводит к изменению частот пьезорезонаторов в противоположные стороны и, в конечном счете, к изменению частот генерации автогенератор ров в разные стороны, в то время как температура приводит к изменению

частот пьезорезонаторов и, следовательно, автогенераторов в одну и ту же сторону

f foi + (F)+ bf (t)

fu foa- ) fcf (t)

Благодаря дифференциальному включению пьезоэлектрических резонаторов в сигнале разностной частоты на выходе смесителя частично компенсирует10ся влияние одного из двух воздействующих на пьезорезонаторы факторов, т.е. температура. Таким образом, известные устройства позволяют измерять только один параметр - силу, 15 хотя чувствительные элементы(пьезоэлектрические резонаторы) воспринимают воздействие и второго фактора - температуры.

Цель изобретения - обеспечение

20 возможности дополнительного измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь введены два коммутатора, тактовый генератор, фа25зовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, причем выходы автогенераторов соединеюл со входёши коммутаторов, управляющие входы которых подключены к выходу тактового

30 генератира, первые выходы коммутаторов связаны со входами смесителя, а вторые - со входами фазового детектора, выход которого соединен со вхо дом фильтра нижних частот, а его выход подключен ко входам усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами автогенераторов На чертеже изображена структурная схема предлагаемого преобразователя. Преобразователь содержит упругий элемент 1 с пьезркварцевыми резона торами 2 и 3, подключенными к автогенераторам 4 и 5, и смеситель 6, а также два коммутатора 7 и 8, такто вый генератор 9, фазовый детектор 10 фильтр 11 нижних частот и два усилителя 12 и 13, нагруженных на управляющие входы автогенераторов 4 и 5. Входы усилителей 12 и 13 связаны с выходом фильтра 11 нижних частот, подключенного входом к выход фазового детектора 10, входы которого подсоединены ко вторым выходам коммутаторов 7 и 8, первые выходы которых нагружены на смеситель 6,а первы и управляющие входы связаны соответственно с выходами автогенераторов 4 и 5 и тактового генератора 9. Упругий элемент 1 находится под действием силы и температурного поля в точке измерения. На торцовые поверхности упругого элемента укреплены пьезокварцевые резонаторы 2 и 3, испытывающие точечное нагружение. Ре зонаторы 2 и 3 подключены соответственно к автогенераторам 4 и 5. Одновременное воздействие силового и те пературного полей изменяет резонансные частоты пьезокварцевых резонаторов 2 и 3 и, следовательно, частот и f автогенераторов генерации 4 и 5. fl foi k t 4- k F kt- воздействующие температу ра и сила; k - коэффициент преобразования по температуре или коэффициент температурно чувствительности; k ,Ц2 - коэффициенты преобразования по силе или коэффи циенты силовой чувствительности. Пьезоэлектрические резонаторы 2 и 3 имеют одинаковые коэффициенты пр образования к температуре, что харак терно для дифференциальных устройств Коэффициенты k. и Цг преобразования по силе при дифференциальном включении должны иметь противоположные зна ки. В качестве пьезокварцевых резонаторов могут быть выбраны резонаторы LC-среза, имеющие высокие коэффициенты преобразования по силе и тем пературе и необходимые знаки этих коэффициентов. Устройство работает следующим об разом. Введение в устройство тактового | генератора 9, двух коммутаторов 7 и 8, фазового детектора 10, фильтра . 1 нижних частот и двух усилителей 12 13 позволяет в течение периода такового генератора Т t,( + fc измерять помимо силы F и второй воздействующий на пьезорезонаторы 2 и 3 фактортемпературу. В первую часть периода t (D-t ) тактового генератора 9 происходит измерение силы, когда коммутаторы 7 и 8 подключают автогенераторы 4 и 5 к смесителю б, на выходе которого выделяется частотный сигнал, пропорциональный воздействующей силе fp fi -f-i Ifo2 )+ (k +kj ) F Bo вторую часть периода () тактового генератора 9 происходит измерение температуры, когда коммутаторы 7 и 8 подключают автогенераторы 4 и 5 ко входам фазового детектЬра 10. В этом случае, поскольку-имеется разность частот 2 устройстве наблюдается режим биений. В зависимости от знака мгновенного напряжения биений разность между частотами автогенераторов 4 и 5 то повышается, то понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений, в результате чего на выходе фазового детектора 10 образуется постоянная составляющая напряжения, которая подается через фильтр 11 нижних частот и усилители 12 и 13 с разноименными знаками коэффициентов передачи на автогенераторы 4 и 5 и снижает при определенных условиях частоту биений до нуля. В этом случае с выхода любого из автогенераторов 4 и 5 имеют частотный сигнёш, пропорциональный воздействующей температуре f f -foi - kt Б момент времени t срабатывают коммутаторы 7 и 8 и подключают автогенераторы 4 и 5 ко входам фазового детектора 10, на выходе которого за счет разности частот f -fa наблюдаются биения, причем напряжение на выходе фазового детектора 10 в режиме биений содержит тем большую постоянную составляющую, чем меньше начальная расстройка d f частот f.f и %. в предлагаемом устройстве благодаря заранее известному выбору знака расстройки автогенераторов 4 й- 5 и разноименным знакам коэффициентов передачи усилителей 12 и 13, а следовательно, изменению в разные стороны напряжений управления и, в конечном счете, частот управляемых автогенераторов 4 и 5 в определенный момент времени также происходит взаимный захват частот f и ffj . В дальнейшем возникающая при изменении воздействия силы F дополнительная расстройка

вышеупомянвтых частот автогенёраторов 4 и 5 уже относительно uf приводит к изменению уровня постоянного напряжения на выходах фазового детектора 10 и фильтра 11 нижних частот. Если при возможных экстремальных расхождениях частот f и f , определяемых диапазонами возможных воздействующих сиЛу расстройка, вносимая управляющими элементами 12 и 13 автогенераторов 4 и 5, достаточна для полной компенсации этих расхождений,, то при включенной системе ФАПЧ напряжение на выходе фильтра 11 нижних частот всегда пропорционально воздействующей на пьезорезонаторы 2 и 3 силе F, а следовательно, учитывая вышесказанное, частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 4 и 5 пропорционален воздействующей на пьезорезонаторы дополнительно измеряемой температуре t. .

Таким образом, дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь позволяет измерять не только усилие, но и температуру, чем выгодно отличается от известных.

Формула изобретения

Дифференциёшьный пьезоэлектрический преобразователь, содержгиций два

пьезорезонатора, расположенных на упругом элементе и подключенных к автогенераторам, и смеситель, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены два коммутатора, тактовый генератор, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, причем выходы автогенераторов соединены со входами коммутаторов , управляющие входы которых под0ключены к аыходу тактового генератора, первые выходы коммутаторов связаны со входами смесителя, а вторые - со входами фазового детектора, выход которого соединен со входом фильтра

5 нижних частот, а его выход подключен ко входам усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами автогенераторов.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе .

1. Авторское свидетельство СССР I 558189, кл. G 01 L 9/08, 08,10.75. 2. Мсшов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., Энергия, 1978, с. 120 (прототип).