Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1982 года по МПК G01L1/16 G01K7/32 

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 1 . Изобрегение огносится к технике эле трических измерений неэлектрических величин и можег быть использовано ддя для одновременного измерения механический усилий и температуры. Известны дифференциальные пьезоэле трические преобразователи. Ш . Однако такие преобразователи предназначены для измерения только механических усилий. Наиболее близким по технической сущ ности к изобретению является дифференпиальный пьезоэлектрический преобразователь:,, содержащий многопараметровый чувствительный элемент с двумя пьезорезонаторами, вьшолн ными на одной иьезокварцевой пластине и подключенными к двум автогенераторам, смеситель и последовательно соединенные фазовый детектор, фильтр нижних частот, выход которого связан с входа1 га двух усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого и второго автогенераторов 2 .

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Однако; из-за небольшой относительной девиашга частоты (фазы) колебаний, поступакшшх на входы фазового детек тора, велика погрешность, обусловленная разрешающей способностью фазового детектора при работе кварцевых резонаторов на частотах порядка 5 МГц, недостаточно линейна характеристика фазового детектора. Целью изобретения является повышение точности измерения гемавр&гуры и механических усилий за счет увеличения разрешающей способности и линейности фазового детектора. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены два пьезорезонат фа, соединенные с двумя дополнитвпьиымя автогенераторами, два смесвт теля и три фильтра нижних частот, причем четвертый пьезорезонатор выполяек на пьезокварцевой пластине, выходы первого и третьего автогенераторов совюине- ны с входами второго смесителя, соединенного с вторым фильтрюм ниягаих часгот, подключенным к первому входу фазового детектора, второй вход которого связан через грегий фильтр нижних частот с выходом третьего смесителя, соединенного входами с выходами второго и третьего автогенераторов, при этом выходы второго и четвертого автогенера торов соединены с входами первого смес теля, подключенного к четвертому фильтр нижних частот. На фиг. I представлена функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 конструкция чувствительного элемента преобразователя; на фиг. 3 - разрез А на фиг. 2. Преобразователь содержит многопарамегровый чувствительный элемент I с пьезокварцевыми резонаторами 2-5, причем резонаторы 2, 4 и 5 вьшолнены на одной пластине и подключены к автогенераторам 6-8, а пьезокварцевый резонатор 3 включен в автогенератор 9, Преобразователь содержит также три смесителя 1О-12, три фильтра 13-15 .НИ.ЖНИХ частот, при этом фильгры 13 и 14 подключены к фазовому детектору 16, выход которого соединен с входом фильтра 17 нижних частот. Сигнал с вы хода фильтра 17 подается через усилители 18 и 19 на управляющие входы автогенераторов 6 и 8. Многопараметровый чувствительный элемент I содержит корпус 20 и изготовленные за одно целое с ним мембран 21 и поддерживающие стойки 22, на которые устанавливается пьезокварцевая пластина 23 (ЦС-среза) с тремя парами круглых электродов 24. Чувсгвигель . ный элемент I находится под действием сипы F и температуры Т. Круглые электроды 24 нанесены на пьезокварцевой пластине 23 так, чтобы их центры были расположены под углом 12Соотносительно центра пластины 23. При измерении воз действующего давления Р происходит изменение сжимающих усилий F , пропорци нальных давлению и прикладываемых к каждому резонатору. Вследствие темпера туры Т на кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации. Конструктивно автогенераторы 6 и 9 смеситель 10 и фильтр 13, а .также автогенераторы 7 и 8, смеситель 12 и фильтр 15 могут быть вьшолнены в виде двухчастотных управляемых напряжением кварцевых генераторов ДКГ и ДКГ,,, каждый из которых реализован на одном активном элементе. Преобразователь работает следующим бразом. Воздействие температурного и силоого полей изменяют резонансные часоты пьезокварцевьос резонаторов 2, 5 4 и, следовательно, частоты генераии автогенераторов 6, 8 и 7, 4 04 - коэффициент преобразования по температуре; коэффициенты преобразования по силе. В преобрадователе коэффициенты К и Кд выбраны с положительным знаком, а Кл - с отрицательным. Эго достигается выбором в качестве пьезорезонаторов кварцевых резонаторов ЦС-среды, которые в зависимости от угла приложения силы относительно оси кварцевых резонаторов могут иметь как положительный, так и отрицательный знак коэффициента силовой чувствительности. Фильтр 13 нижних частот выделяет разностную частоту f р , поступающую на первый вход фазового детектора :fp1 ()FСоответственно фильтр 14 выделяет разностную частоту , поступающую на второй вход фазового детектора ) T-4FЗа счет разности частот .( выходе фазового детектора наблюдаются биения и в зависимости от знака мгновенного напряжения биений разность между частотами то повыщается то понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжений биений, в результате чего на выходе фазового детектора 16 образуется постоянная составляющая напряжений, тем большая, чем меньше начальная расстройка ufti (асинхронный режим). Эга постоянная составляющая через фильтр 17 нижних частот подается на усилители 18 и 19 и благодаря заранее известному знаку расстройки и разноименньпл знакам коэффициентов передачи усилителей 18 и 19 изменяются частоты автогенераторов 6 и 8 в разные стороны и соотввтствшно частота биений будет снвжать ся до нуля. Наступает апериодический режим биений и происходат захват )г { я f к соответственно fp и fи напряжение на выходе фазового детектора будет постоянно. В этом случае не каждый вход фазового детектора воздей ствует частотный сигнал, пропорциональный воздействующей на чувствительный элемент I тe mepaтype .-lVfob)-N fp2() В дальнейшем возникающая при изменеНИИ воздействующей силы F дополнительная расстройка частот автогенераторов в и 8, следовательно, частот fp и приве ет к измененто уровня постоянного напряжения на выходе фазового детектора 16 и фильтра 17. Если при возможных экстремальных расхождениях ляемых диапазоном возможных действующих сил, растройки, вносимые в автогене раторы 6 и 8, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то постоя ное напряжение на выходе фазового детек тора определяемое по разности фаз часто f pi и fр2 будет пропорционально силе F а частотные сигналы f р-, и fpg будут пропорциональны температуре Т, а фильтр 15 выделяет разностную частоту, пропорциональную силе )--Vfo2HV Предлагаемый преобразователь имеет повь1Шенную точность измерений, так как работа устройства происходит на разност ных частотах за счет чего улучшается работа фазового дет1 ктора и повышается его чувствительность. 9 3 Формула изобр. етения Дифференциальный пьезоэлектрическЕЙ преобразователь, содержащий чувствительный элемент с двумя пьезорезонаторами, выполненными на одной пьезокварцевой пластине и подклкгченными к двум автоген аторам, смеситель и последоват:лык соединенные фазовый детектор, фильтр нижних частот, выход которого связан с входами двух усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первого и второго автогенераторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности взмерения температуры и механических усилий за счет увеличения разрешающей способности и линейности фазового детектора, в него дополнительно введены два пьезорезонатора, соединенные с двумя дополнительными автогенераторами, два смесителя и три фильтра нижних частот, причем четвертый пьезорезонатор вьтолнен на пьезокварпевой пластине, выходы первого и третьего автогенератора соединены со входами второго смесителя, соединенного с вторым фильтром нижних частот, подключенным к первому входу фазового детектора, второй вход которого связан через третий фильтр нижних частот с выходом третьего смесителя, соединенного входами с выходами второго , и третьего автогенераторов, при этом выходы второго и четвертого автогенераторов соединены с входами смесителя, подключенного к четвертому фильтру нижних частот. Источники информашн, принятые во вснимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 558189, кл. (5 01 L 9/О8, 1975. , 2,Авторское свидетельство СССР по заявке № 2886749/18-1О (О28631), кл. G 01 1/16, 25.02.8О (протогип).

1

.1