Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1982 года по МПК G01L1/16 

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ .Изобретение относится к технике элек . трических измерений .неэлектрических величин и может быть использовано для одновременного измерения механических усилий, температуры и влажности. Известен дифференциальный пьезоэлек трический преобразователь механических усилий, содеркаший упругое кольцо с пьезоэлектрическими вибраторами 11 VI 121. Недостатком устройства является возможность измерения лишь одного параметра - силы. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий многопараметровый чувствительный элемент сдвумя пьезо- резонаторами, выполненный на одной пьезокварце вой пластине и подключенным 5. двум автогенераторам, которые своими Ьходами погружены на входы фазового детектора, связанного через фильтр нижних частот б входами первого и второго усиПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬлителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого я второго автогенераторов. В известном устройстве чувствительными элементами автогенераторов которого служат пьезокварцевые резонаторы, одно из измеряемых, воздействияй, в часгкосги. сила, приводит к изменению частот пьезорезонаторов в противоположные стороны, в конечном счете, и изменению частот генерации автогенераторов, в разные стороны, в то время как второй измеряемый параметр - гемперагурапркводиг к изменению частот пьезорезонаторов, и, следовательно, частот автогенераторов а одну и ту же сторону т о uf(F}Af (Т) ( й (Т1 Благодаря дифференциальному включению пьезорезонаторов и схеме устройства имеется возможность измерять помимо сипы я второй измертемый параметр температуру C3J . Сйнако в известном устройстве отсутствует возможность одновременного изме- рения ускорения, действующего на датчик. Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства, т. е возможность измерения. помимо гемперату1Ы и силы еще и ускорения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены третий пьезо- резонатор, входящий в состав многопараметрового чувствительного элемента и включенный в дополнительно введенный третий автогенератор, преобразователь частота - напряжение, четвертый автогеГнерагор, дополнительный фазовый детектор/ дополнительный фильтр нижних частот, а также третий и четвертый усилители, njacчем выход второго автогенератора связан через преобразователь частота - напряже- ние с первым управляющим входом третьего детектора, второй вход которого связан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первым управляющим входом к выходу первого фильтра нижних частот, а выход дополнительного фазового детектора через дополнительный фильтр . нижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей, нагруженных на вторые, управляющие входы третьего и четвертого автогенераторов. На фиг. 1. изббражена функциональная схема предлагаемого дифференциального пьезоэлектрического преобразователя; на фиг. 2 - конструкция предлагаемого преобразователя. Преобразователь содержит многопараметровый (трехпараметровый) чувствитель ный элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2-4, подключенными к автогенераторам 5 - 7, фазовый детектор 8, преобразователь 9 частота - напряжение, фильтр 10 нижних частот, усилители 11 и 12, четвертый автогенератор 13, дополнительный фазовый детектор 14, дополнивтельный фильтр 15 нижних частот, третий и четвертый усилители 16 и 17 соответственно, причем выходы первого 5 и второго 6 автогенераторов своими выходами нагружены на входы первого фазового детектора 8, связанного через фильтр 10 нижних частот с входами первого 12 и второго 11 усилителей, соединенных свок мя. выходами с управляющими входами первого 5 и второго 6 автогенераторов, выход Гвторогд автет нера гора 6 свйзан через преобразователь частота - напряженяе 9 с первым управляющим входом 979 2 третьего автогенератора 7, нагруженного на перв1ый вход дополнительного фазового детектора 14, второй вход которого связан с выходом четвертого автогенератора 13, подключенного первым управляющим входом к выходу фильтра 10 нижних частот, а выход дополнительного фазового детектора 14 через дополнительный фильтр 15 нижних частот подключен к входам третьего 16 и четвертого 17 усилителей, нагруженный на вторые управляющие входы третьего и четвертого 13 автогенераторов. Многопараметровый чувствительный элемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 18 и изготовленные за одно целое с ним мембрану 19 и поддерживающие мембранные стойки 20. В корпусе 18 поддерживающие мембранные стойки 2О устанавливается кварцевая пластина. 2.1 (UC-cpeaa) со ступенчатыми электродами 22; на опорные щайбы 23 установлен пьезокварцевый диск 24 (LC-среза) с плоскими электродами 25, поджатый с торцов пружинами 26. Многопараметровый чувствительный элемент 1 находится под действием силы Р(Х-), температуры ТСХ), ускорения ), действующего в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 18 и проходящей, через середины пружин 26. Пьезокварцевый диск 24 с плоскими электродами 25 выполнен из материала такого же ЬС-среза как и пьезокварцевая пластина 21 со ступенчатыми электродами 22, а также имеет одинаковую с пьезокварцевой пластиной 21 ориентацию относительно кристаллографических осей. Благодаря этому устраняется помеховое влийние температуры Т, заключающееся во взаимном перемещении плоских электродов 25 пьезокварцевого диска 24 относительно ступенчатых электродов 22 пьезокварцевой пластины 21. Пьезокварцевый диск 24 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполняет роль массы, используемой в акселерометрах. При этом щирина и конфигурация пружин 26, ограничивающих перемещение пьезокварцевого диска 24 по поверхности опорных щайб 23, выбирается такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действия ускорения и максимальную жесткость во всех остальных направлениях. Ступенчатые электроды 22, центры которых расположены под углом 120 относительно центра пьезокварцевой пластины 21, нанесены на ней так чтобы плоскости торцов /ступенек были перпендикулярны направлеjamo действия ускорения. В процессе сборки многопараметрово го чувствительного элемента на мембрану 19 воздействуют давлением, при этом поддерживающие мембранные стойки 2О отклоняются в стороны и в них вставляется пьезокварцевая пластина21 со ступенчатыми электродами 22, причем таким образом, чтобы ось каждого резонатора проходила через центр поддерживающей мембранной стойки 20 и центр пьезоквар цевой пластины 21. При снятии давления пьезокварцевая пластина 21 оказывается зажатой в трех поддерживающих мем бранных стойках 2О. При этом пьезоквар цевый диск 24 подгибом пружин 26 уста навливается относительно зажатой пьезокварце вой пластины 21 так, чтобы плоскость симметри Я каждого резонатора проходила.через диаметр каждого плоского электрода 25 пьезокварцевого диска 24 и вдоль плоскости раздела массы соответ ствующего ступенчатого электрода 22 пьезокварце вой пластины 21. Отметим, что диаметр каждого плоского (подвижного) электрода 25 меньше диаметра соответствующего ступенчатого (неподвижного) электрода 22. При изменении воздействующего давления Р происходит изменение сжимающи : усилий, пропорциональных давлению и прикладываемых к каждому резонатору (эффект гензочувсгвительносги). Воздействие температуры Т на кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации (эффект термочувствительности). Воздействие ускорения приводит к изменению взаимного расположения подвижных (плоских) электродов 25 пьезокварцевого диска 24 и неподвижных (ступенчатых) электродов 22 пьезокварцевой пластины 21, а, следовательно, и изменению. массы неподвижных электродов 22 в активной зоне (эффект массочувствительности). Таким образом, кварцевые резонаторы 2-4 многопараметрового чувствительно го элемента 1 находятся под действием давления, температуры и ускорения. Поскольку резонаторы 2-4 подключены соот ветственно к автогенераторам 5-7, то одновременное воздействие силового и температурного полей, а также ускорения через эффекты тензо,- термо, - и массо- . чувствительности приводит к изменению езонансных частот пьезокварцевых резоаторов 2 - 4 и, следовательно, частот енерации . 2 3 втогенератоов5 - 7. Причем, так как в качестве езонаторюв применяются кварцевые реонаторы иС-среза, обладающие линейой зависимостью частоты от Т,Р и с, о частоты генератораиии можно записать следующим образом fi fo-t «1ir l2 «13Si 2 где Т, F и с - воздействующие темпера- тура, сила и ускорение; ii (i-i.5) - коэффициент преобразова ния по температуре или (1 ,3) - коэффициент температурной чувствительности соответствующего кварце- вого резонатора; с(- ( 1 1|Ь) коэффициент преобразования по силе или коэффициент массочувствительности. Пьезоэлектрические резонаторы 2-4 выполнены на одной общей пьезокварце- вой пластине 21 и имеют одинаковые по величине и знаку коэффициенты преобразования по температуре, что характерно для дифференциальных устройств Коэффициенты преобразования по силе и массе при дифференциальном-включении должны иметь для резонаторов 2 и 3 либо противоположные знаки, либо различные по величине коэффициенты с( и 0(22) в качестве пьезокварцевых резонаторов в предлагаемом устройстве используются резонаторы ЬС-среза, имеющие высокие коэффициенты преобразования по температуре, силе и массе и обладающие линейной зависимостью частот от измеряемых воздействий. Кроме того, для этих резонаторов можно подобрать необходимые величины и знаки силовых коэффициентов чувствительности. Так, например, при изменений угла приложения силы относительно кристаллографической оси Z кварцевого резонатора можно получать различные по величине и знаку коэффициенты силовой чувствительности. В нашем случае при приведенном на фиг. 2 расположении резонаторов относительно центра пьезоэлектрической пластины 21 коэффи- иненты силовой чувствительности )22 и о ji имеют разные величины, однак такие, что коэффициент силовой чувствительности по величине равен разности двум других коэффициентов Коэффищюнты массочувствительности выбраны все разные по величине, причем выполняется следующее неравенство ме жду ними Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Из-за различия коэффициентов тензои массочувствительности резонаторов 2 и 3, а, следовательно, за счет разности частот и f, автогенераторов 5 и 6, подключенных к первому фазовому детектору 8, на выходе последнего наблюда ется биение, причем в зависимости от зн ка мгновенного напряжения биений разност между частотами автогенераторов 5 и 6 то повыщается, то понижается, что .приводит к неодинаковой длительности полоЗшгельной и огрицагельной полуволн распределения биений, в результате чего на выходе фазового детектора 8 образуется постоянная составляющая напряжения, тем большая чем меньше начальная расстройка частот и f2 (асинхронный режим). Эта постоянная составляющая подается через фильтр 10 ниясних частот и усилители 11 и 12 с соответс вующимн по величине и знаку коэффициен тами усиления на автогенераторз 5 и 6 и снижает частоту биений до иуля. В реальной системе ФАПЧ с интегрирующим фильтром 10, если atj- полоса захвата системы ФАПЧ) при любой фазе включения режим биений становится апериодическим и наступает захват частот. При этом устанавливается постоянная разность фаз cos do где д f yj - полоса удержания системы ФАПЧ, и напряжение на выходе фазового детектора 9 также постоянно. В предлагаемом устройстве благодаря заранее известному выбору знака расстр ки автогенераторов 5 и б и равным по знаку и различным по величине коэф фициентам передачи усилителей 11 и 12 а, следовательно, частот управляемых автогенераторов 5 и 6 вопредоленный м мент времени также произойдет взаимный захват частот Т Т ft . В этом случае с выхода каждого из авггогенераторов 5 и 6 имеем частотный сигнал, пропорциональный воздействующей температуре т 1 - f 01 13 % - «21 В дальнейшем возникающая при изменении воздействующих сил F и ускорения Of дополнительная расстройка частот автогенераторов 5 и 6 приведет к изменению уровня постоянного напряжения на выходе .фазового детектора 8 и фильтра Ю нижних частот. Если при возможных экстре-мальных расхождениях частот f .j и f определяемых диапазонами возможных воздействующих сил и ускорений, расстройки, вносимые в автогенераторы 5 и 6, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то напряжение на выходе фильтра 1О нижних частот всегда будет пропорционально воздействующим на пьезорезонаторы 2 и 3 силы F и ускорению с ЧА 12- 21 3- 23 а, следовательно, учитывая вышесказанное частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 5 и 6 будет пропорционально воздействующий на пьезорезонаторы измеряемой температуры Т (синхронный режим). Частотный сигнал с геноратора 6, пройдя через преобразователь & частота напряжение, поступает на первый управляющий вход автогенера гора 7 и компенсирует составляющую , в результате чего частоту его генерации можно представить в виде т. е. этот сигнал не зависит от температуры Т (результат компенсации). Сигнал с выхода первого фильтра 10 нижних частот поступает на первый управляющий вход четвертого автогенератора 13, в результате чего его частоту генерации можно записать в виде f4 fo4- Са,- ( Поскольку коэффициент силовой чувствительности пьезорезонатора 4 выбП(3), т.е. ран из уелоПИЯ - 2 1 а коэффициент массочувствитальности 4 выбран, из условия (4) пьеэорезонатора т. е. ТО мы имеем дифференциальное устройст во, включающее, автогенераторы 7 и 13, второй фазовый дегекгор 14, второй фильгр 15 нижних частот, а также третий и четвертый усилители 16 и 17, относительно третьего измеряемого параметра - ускорения. Имеющаяся расстройка .частот f и f автогенераторов 7 и 13 приводит к аналогичному ранее рассмотренному режиму биений (асинхронный режим), а затем захвату частот , и f (синхронный режим), в результате чего напряжение на выходе второго фильтра 15 нижних частот будет пропорционально третьему изме ряемому параметру - ускдрению cj , а . частотный сигнал с выхода Л1обого из автогенераторов 7 и 13 при выбранных раз нозначных коэффициентах усиления усилителей 16 и 17 будет пропорционален воз действующей на пьезорезонаторы силе F -fo4(«l3-°23) 1i-°M С ) Следовательно, в предлагаемом устройстве имеется возможность одновремен ного измерения трех разнородных физических параметров - температуры, силы (давления) и ускорения, а также увеличи точность определения температуры и силы за счет устранения дополнительной погрешности их определения, обусловленной влиянием ускорения,Формула изобретения Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий-многопарам D7 2 iO тровый чувствительный элемент с двумя пьезорезонаторами, выполненными на одной пьезокварце вой пластине и подключенными к двум автогенераторам, которые своими выходами нагружены на входы фа-, эового дегек1юра, связанного через фильгр нижних частот с входами первого и второго усилителей, соединённых своими выходами с управляющими входак и первого и второго автогенераторов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены третий пьезорезонатор, входящий в состав многопараметрового чувствителыного элемента и включенный в дополнителЕгко введенный третий автогенератор, преобразователь частота - напряжение, четвертый автогенератор, дополнительный фа- . зовый детектор, дополнт-ельный фильтр нижних частот, а также третий и четвертый усилители, при этом выход второго автогенератора связан через преобразователь частота - напряжение с первым управляющим входом третьего автогенератора, нагруженного на первый вход дополнительного фазового детектора, второй вход которого связан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первым управляющим входом к выходу фильтра нижних частот, выход дополнительного фазового детектора через дополнительный фильтр нижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей , связанных с вторыми управляющими входами третьего и четвертого автогенераторов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 558189, кл. G О1 U 9/08, 1975. 2.Патен Великобритании № 1483456, кл. G 1 G (G01 L, 1/16), 1977. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2886749, кл. G 01 L 1/16, 1980 .