Способ определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей Советский патент 1983 года по МПК G01R27/28 

Иэобрзетение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспериментального определения динамических характеристик, например переходной характеристики, амплитудно и фазочастотных характеристикпьезорезонансных измерительных преобразователей, применяемых в пьезорезонансных датчиках, в управляемых кварцевых автогенераторах, а также в измерителях эквивалентных электрических параметров пьезорезрнаторов и т.д.

Известен способ определения динамических характеристик измерительных преобразователей, основанный на , подаче на вход измерительного преобразовате.ля известного испытательного сигнала и регистрации выходного сигнала преобразователя, по которому судят об искомой динамической характеристике испытуемого преобразователя fl.

Недостатком этого способа является сложность технической реализации, обусловленная необходимостью формирования испытательного сигнала с известными и неизменными в течение времени испытаний параметрами.

Известен также способ экспериментального определения динамических характеристик измерительных преобразователей, основанный на сопоставлении входного и выходного сигналов испытуемого преобразователя, причем выхо(ной сигнал преобразователя перед сопрставлением подвергают частотному детектированию t2.

10

Недостатком данного способа является невысокая точность определения динамических характеристик- пьезорезонансных измерительных преобразователей. Действительно, при опреде15лении, например, переходной характеристики измерительного преобразователя частоты последовательного резонанса пьезорезонаторов, выполненного в виде автогенератора, частота

20 выходных колебаний которого стабилизируется пьезорезонатором, согласно известному способу создают скачок частоты последовательного резонанса пьезорезонатора путем, например,

25 переноса последнего из одного термостата в другой с различными температурами термостатирования. а затем сопоставляют известное значение разницы температур термостатов с полу30ченным путем частотного детектиронания изменением частоты выходных колебаний испытуемого преобразователя . Однако, как видно на этом примере, с помощью известного способа оп ределяют не искомую переходную хара .теристику пьезорезонансного измери|гельного преобразователя, а сутимарн {переходную характеристику, включающую в себя также переходную характе ристику термочувствительности пьезе резонатора. Поскольку постоянная те ловой инерции пьезорезонаторов весь велика(порядка нескольких десятков секунд), то определение динамически характеристик пьезорезонансных изме тельных преобразователей известным способом связано с существенными по решностями. Кроме того, применение известног способа обусловливает физическое не электрическое воздействие испытател ным сигналом на пьезорезонатор. Так как формирование испытательных сигналов определеннойформы неэлектрической ( например, тепловой, механической природы (сложнее получения электрических испытательных сигнало то известный способ определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразо вателей весьма сложен в технической реализации. Целью изобретения является повышение точности и упрощение способа определения динамических характерно тик пьезорезонансных измерительных преоб|зазователей. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей, заключающемуся в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходного сигналов испытуемого преобразователя, изменяют по закону изменения испытательного сигнала уровень возбуждения, например амплитуду колеба ний пьезорезонатора, выходной сигнал испытуемого преобразователя подвергают амплитудному детектированию, а результат амплитудного детектирования сопоставляют с результатом частотного детектирования. Наиболее просто пpeдлaгae ый способ может быть реализован при определении динамических характеристик пьеэорезонансных измерительных преобразователей, снабженных устройствами автоматической регулировки уров ня возбуждения пьезорезонаторов. На чертеже приведена функциональная электрическг схема измерений по предлагаемому способу на примере определения амплитудно- и фазочастот ных характеристик измерительного преобразователя частоты последовательного резонанса пьезорезонаторов. Устройство, реализунвдее способ, содержит иcпытye ftлй преобразователь 1, выполненый, например по схеме автогенератора на операционном: усилителе 2, охваченный положительной (пьезорезонатор 3 и резистор 4) и отрицательной ( резистор 5 и управляемый резистор 6) обратными связями, с цепью автоматической регулировки уровня (АРУ) возбуждения (амплитуды напряжения) пьезорезонатора 3, составляющий из усилителя 7, выпрямителя 8, источника 9 опорного напряжения и сумматора-10, на .-.вход которого подается испытательный сигнал и частотный 11 и амплитудный 12 детекторы выходного напряжения и.. .. испытуемого преобразователя 1 и блок 13 сопоставления результата амплитудного детектирования с результатом частотного детектирования. Для определения амплитудно- и фазочастотных характеристик испытуемого преобразователя 1 на вход сумматора .10 подается испытательный сигнал в виде переменного гармонического напряжения . U,-UioCOSSH:(1) С постоянной амплитудой i COnst и изменяющейся частотой 51 Va. Цепь АРУ обеспечивает изменение амплитуды напряжения на выходе операционного усилителя 2 по закону (а-Ь + APv), где К. и Чдр коэффициент пропорциональности и сдвиг фаз, определяемые параметрами цепи АРУ. При этом с1мплитуда напряжения на пьезорезонаторе 3 будет изменяться следующим образом %0--V:2U2.o--fc-|KiU,oCOe(ftt + ), (3 где К,Rnpi 4 соответственно сопротивления пьезорезонатора 3 и резистора 4. Вследствие эффекта неизохронности, т.е. зависимости частоты колебаний пьезорезонатора 3 от амплитуды колебаний, частота последовательного резонанса (S)&yi пьезорезонатора 3 в первом приближении будет определяться выражением )i +l bU%o) u;otl4K kiK U oCos( APv)3, где Шд- частота последовательного резонанса невозмущенного ( при Ujo 0) пьезорезонатора 3;, К - коэффициент неизохронности. Таким образом, входной сигнал испытуемого преобразователя 1, которым является частота последовательного резонанса Шу( пьезорезонатора 3, будет изменяться по SBKOHV изменения испытательного сигнала (.1) .

Считая, что динамические свойства преобразователя 1 проявляются в изменении глубины и фазы модуляции частоты выходных колебаний (jy- j преобразователя 1 относительно глубины и фазы- модуляции U)g для выходного напряжения Uebi)C операционного усилителя 2 и, следовательно, испытуемого преобразователя 1 получим выражение .

Уьь1к131оС05Ше,ых1, (5) в котором и определяется выражением (2) , а

A bbix-- o - Un)).K UioC05 -(б) С51Ъц-Ч1Арч,Ч(,а.11

где К(.й), 1(51) - соответственно амплитудно-частотная и фазочастотная характеристика испытуемого преобразователя 1.

Подвергая UpbiX амплитудному и частотному детектированию, получим |соответственно на выходе амплитудЫого 12 и частотного 11 детекторов напряжения

иАд--к дК,и,оСо са / ру4Чдд), (7)

(8)

чА-- мА 1 г1 ъ 1оСО а4:+ рч,+ч(й)Чцд

где КдА, VA коэффициенты передачи, , VfoA- сдвиги фаз соответственно амплитудного 12 и частотного 11 детекторов.

Таким образом, на выходе- амплитудного-детектора 12 получим напряжение (7), пропорциональное изменению входного сигнала ьивх -4f а на выходе частотного детектора 11 - напряжение (.8), пропорциональ ное изменению частоты выходных колебаний ) испытуемого преобразователя 1.

Выполнив, блок 13 сопротивления выходных напряжений частотного и амплитудного детекторов 11 и 12 в виде измерителя отношения амплитуд напряжений Оуди иддполучим на выходе блока 13 сигнал Un(a Р пропорциональный искомой величине 10. испытуемого преобразователя 1

,. к КилКСаЖ Кг Цю, КАКцдКгК., (пч Кддк;и,о (5

где К. - коэффициент передачи изкери теля отношения амплитуд напряжений , и ДАДля определения фазочастотной характеристики Ч(О.) испытуемого преобразователя 1 блок 13 сопротивления .выходных напряжений частотного 11 и амплитудного 12 детекторов необходимо выполнить в виде фазометра, показание U4(5i} кототоро будет в этом случае пропорционально разности фаз напряжений и.уд(3) и UAA. (10)

и (ft)-- 5 tft-t nPV Ca)V4 34Ut+ f )i

где К - коэффициент передачи .фазометра.

При выполнении равенства Руд Ч ДА (что нетрудно выполнить на практике показания блока 13 - фазометра будут «пропорциональны значениям искотлой фазочастотной характеристики 4(fil) испытуемого преобразователя 1

)--i(54(fl).

Аналогично описанному могут быть определены и другие динамические характеристики преобразователя 1. В частности, для определения переходной характеристики необгсодиг-ю лишь вместо напряжения ((1) подать на вход сумматора 10скачок постоянного напряжения, а в .качестве блока 13 использовать двухлучевой осциллограф

Очевидно, что изменение уровня возбуждения пьезорезонатора 3 по закону изменения испытательного сигнала в пьезорезонансных измерительных преобразователях на основе автогенераторов ,с АРУ (подобных описанному выше) возможно и другими известными методами, например путем модуляции испытательным сигналом выходного напряжения источнЙка 9 опорного напряжения. В пьезорезонансных измерительных преобразователях на Ъснове автогенераторов без АР.У изме;нение уровня возбуждения пьезорезона оров по закону изменения исгытательного сигнала возможно, например, путем изменения по этому закону напряжения питания активного элемента автогенератора.

Таким образом, в предлагаемом изменение уровня возбуждения пьезорезонаторов по закону изменения испытательного сигнала позволяет исключить влияние динамических свойств пьезорезонаторов на результат измерения, а введение операции амплитудного детектирования выходного напряжения испытуемого преобразователя позволяет, исключить влияние на результат, сопоставления входного и выходного сигналов преобразователя динамических свойств цепи АРУ (последнее подтверждается отсутствием в конечных выражениях (9) и (11 параметров цепи АРУ К и самым существенно повышается точность определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей;

Возможность использования в предлагаемом способе электрических испытательных сигналов вместо сигналов

неэлектрической природа в известных способах существенно упрощает определение динамических характеристик пьезореэонансных измерительных преобразователей.

Формула изобретения

Способ определения динамических характеристик пьеэорезонансных измерительных преобразователей, заключающийся в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходного сигналов испытуемого преобразователя, отличаю. и и с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения, изменяют по закону изменения испытательного

сигнала уровень возбуждения, например амплитуду колебаний пьезорезонатора, выходной сигнгш испытуемого преобразователя подвергают амплитудному детектированию, а результат амплитудного детектирования сопостгтляют с результатом частотного детектирования.

Источники информгидии, принятые во внимание при экспертизе

1.Широков К.П. и др. Основные понятия теории динамических измерений.- Измерительная техника, 1975, № 12, с. 12.

2.Кончаловский Ю.В. и др. Электрические измерительные преобразователи. М., Энергия, 1967, с. 264265, 267-268.