Пьезорезонансный измерительный преобразователь
1. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий кварцевую пластину с первым электродом , нанесенным на одну поверхность пластины, и расположенньй на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механи-, ческим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору,, отличающийся тем, что, с целью повьшення точности путем исключения температурной погрешности, в него введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик , запоминающее устройство, формирователь коротких импульсов, устройстов задержки и третий электрод, нанесенный на пластину с противоположной стороны от первого электрода, при этом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим электродами , а входы через формирователь импульсов - с генератором тактовых импульсов , причем выход автогенератора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управляющие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным и четным выходами распределителя импульсов , при этом четньй выход распределителя импульсов соединен через последовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройство задержки со входом обнуления реверсивного счетчика, выход которого (Л соединен с информационным входом, запоминающего устройства, вход разрешения записи которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов . 2. Преобразователь по п.1, о т 00 личающийся тем, что квар цевая пластина ориентирована так, 00 что боковая грань пластины направле1& на параллельно кристаллографической Ю оси второго порядка, а плоскость пластины наклонена к кристаллографической оси третьего порядка в на- , правлении против часовой стрелки под углом 26-28°.
(jI (111
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOIVlV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1) 3555039/24-10 (22) 28.12.82 (46) 30.01.85. Бюл. N - 4 (72) В.А.Вильщук и С.B.Ôðoëoâñêèé (71) Омский политехнический институт (53) 531.781(088.8) (56) 1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. M., "Энергия", 1978, с. 248.
2. Сергеев В.Ф. Определение функции преобразования пьезокварцевых преобразователей перемещения. — "Измерительная техника", 1981,; Р 8, с.18-20 (прототип). (54)(57) j. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, и расположенный на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механи- ° ческим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору,. отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем исключения температурной погрешности, в него введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, формирователь коротких импульсов, устройстов задержки и третий электрод, нанесенный на пластину с противоположной
4(51) G 01 L 1/14; С 01 L 1/16 стороны от первого электрода, при этом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим электродами, а входы через формирователь импульсов — с генератором тактовых импульсов, причем выход автогенератора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управляющие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным и четным выходами распределителя импульсов, при этом, четный выход распределителя импульсов соединен через последовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройство
C задержки со входом обнуления ревер- Е сивного счетчика, выход которого соединен с информационным входом запоминающего устройства, вход разрешения записи которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов.
2. Преобразователь по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что кварцевая пластина ориентирована так, что боковая грань пластины направлена параллельно кристаллографической оси второго порядка, а плоскость пластины наклонена к. кристаллографической оси третьего порядка в на-, правлении против часовой стрелки под углом 26-28
1137349
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения неэлектри- ческих величин: линейного перемещения, силы, ускорения, давления 5 и т.п.
Известны пьезорезонансные преобразователи физических величин, использующие в качестве датчиков тензо- и силочувствительные кварцевые 10 резонаторы(11.
Недостатком таких преобразователей является низкая тензо- и силочувствительность пьезоэлементов, что не позволяет получить требуемую 15 точность при измерении малых входных воздействий. Улучшение разрешающей способности преобразователей путем увеличения добротности резонаторов и снижения в результате этого неста- 20 бильности частоты выходного сигнала невыгодно с технико-экономической точки зрения, а применение входных .. механических усилителей приводит к значительному увеличению габаритов 25 и массы датчиков, что существенно ограничивает область их применения.
Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности к изобретению является пьезорезонансный изме- gp рительный преобразователь, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, и расположенный на расстоя- нии от другой поверхности пластинь1 второй электрод, связанный с механическим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору, Так как измерительная цепь содержит преобразователь микронеремещени 40 (кварцевый резонатор с зазором), то чувствительность устройства в целом определяется свойствами входного преобразоваля. Например, использование в качестве последнего мембран ма-4S лой жесткости позволяет строить вы сокочувствительные миниатюрные датчики давленийГ2).
Недостатком такого устройства является температурная погрешность пьезорезонансного датчика с переменным зазором.
Анализ температурной погрешности показал, что устройствам подобного типа присущи.как аддитивная состав-,SS ляющая температурной погрешности, вызванная наличием определенной температурно-частотной характеристики пьезоэлемента, так и мультипликативная составляющая, обусловленная зависимостью величины емкостного отношения от температуры.
Цель изобретения — повышение точности измерения за счет исключения температурной погрешности.
Поставленная цель достигается тем, что в пьезорезонансный измерительный преобразователь, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, а расположенный на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механическим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору, введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, формирователь коротких импульсов, устройство задержки и третий электрод, нанесенный на пластину с противоположной стороны от первого электрода, при этом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим электродами, а входы через формирователь импульсов — с генератором тактовых импульсов, причем выход автогенератора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управляющие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным и четным выходами распределителя импульсов, при этом четный вход распределителя импульсов соединен через последовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройство задержки с входом обнуления реверсивного счетчика, выход которого соединен с информационным входом запоминающего устройства, вход разрешения записи которого соединен с выходом формирователя коротких им-пульсов. Кварцевая пластина ориентирована так, что боковая грань плас-. тины направлена параллельно кристаллографической оси второго порядка, а плоскость пластины наклонена к кристаллографической оси третьего порядка против часовой стрелки под углом 26-28
На фиг. : представлена структурная схема устройства; на фиг.2— временная диаграмма работы устройства.
Пьезорезонансный измерительный преобразователь состоит из первично3 1137 го механического преобразователя 1, пьезорезонансного датчика 2 с переменным зазором, содержащего кварцевую пластину 3 с электродами 4-6, автогенератора 7, электронного ключа 8, генератора 9 тактовых импульсов, распределителя 10 импульсов, содержащего делитель 11 частоты на два, устройства 12 и 13 задержки, логические элементы И 14 и 15, а также инвер-rp тор 16, формирователя 17 коротких импульсов, устройства 18 задержки, реверсивного счетчика 19 и запоминающего устройства 20.
Подвижный электрод 6, жестко связанный с первичным преобразователем 1, и электрод 4 подключены к автогенератору 7, а электроды 5 и 6 датчика 2 соединены с сигнальными выходами электронного ключа 8. К выходу генератора 9 тактовых импульсов подсоединены входы делителя 11 частоты на два и устройства 12 задержки, а их выходы соединены с входами логического элемента 14. Выход логическо-25
ro элемента 14 через инвертор 16 соединен с входом логического элемента 15, на второй вход которого через устройство 13 задержки поступает выходной сигнал устройства 12 задержки. Выходы логических элементов 14 и 15 соединены с первым и вторым входами электронного ключа 8 и входами управления сложением и вычитанием реверсивного счетчика 19, соответ35 ственно на счетный вход реверсивного счетчика 19 поступает сигнал с выхода автогенератора 7. Выход логического элемента 15 соединен с входом формирователя 17 коротких импульсов выЭ
40 ход которого соединен с входом разре-, шения записи информации, запоминающего устройства 20 и через устройство
18 задержки с входом обнуления реверсивного счетчика информационные выхоЭ
45 ды которого подсоединены к соответствующим входам запоминающего устройства.
Преобразователь работает следующим образом.
Генератор 9 тактовых импульсов (ГТИ) вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с длительностью положительного полупериода (фиг.2 а), которая поступая на вход распределителя 10 импульсов (РИ), подается в нем на делитель 11 частоты на два (ДЧ) и устройство 12 sa349 4 держки (УЗ) .Выходные сигналы двух последних блоков (фиг.2 Б и е соответственно) поступают на входы ло-, гического элемента И 14 (ЛЭ), на выходе которого (он же является первым выходом РИ 10) вьщеляются условно нечетные импульсы ГТИ 9 (фиг.2 ъ). Выходной сигнал ЛЭ 14, инвертируясь в блоке 16 (фиг.2 д ), поступает на один из входов ЛЭ 15. На второй вход ЛЭ 15 (он же является вторым выходом РИ 10) вьщеляются условно четные импульсы ГТИ 9 (фиг.2М ), УЗ 12 и 13 необходимы для синхронизации по переднему фронту входных импульсов ЛЭ 14 и 15.
Формирователь 17 коротких импульсов (ФКИ) по заднему фронту четного импульса вырабатывает короткий импульс (фиг.2 Ь ), который поступает на вход разрешения записи информации запоминающего устройства (ЗУ) 20 и с некоторой задержкой в
ЗУ 18 (фиг.2 и) на вход обнуления ре. версивного счетчика (РС) 19. После прохождения этого импульса и до появления нечетного импульса ГТИ 9 все регистры PC 19 находятся в кулевом состоянии и сигналы на входах управления сложением и вычитанием . последнего отсутствуют (импульсы иэ автогенератора 7 в PC 19 не поступают). Измерительный преобразователь установлен в исходное состояние.
Цикл измерения начинается при поступлении из ГТИ 9 нечетного импульса, который вьщеляется на первом выходе РИ 10 и поступает иа первый вход ключа 8 (он может быть выполнен, например, на триггере и полевом транзисторе) и вход управления сложением PC 19. При этом электроды 5 и 6 датчика 2 разомкнуты и в PC 19 записывается число, соответствующее количеству импульсов автогенератора 7 частотой f = Е (d Т) за время
Следующий (четный) импульс ГТИ .9 вьщеляется на втором выходе РИ";10 и поступает на второй вход ключа 8 и вход управления вычитанием PC .19. При этом ключ 8 замыкает электроды 5 и 6 датчика 2 и из содержимого РС 19 вычитается число,соответствумщее количеству импульсов автогенератора 7 с частотой f= f Ð1, поступивших в
PC 19 за время ь . По истечении этого времени ФКИ 17 вырабатывает йм1137349,пульс и содержимое РС 19 записывается в ЗУ 20 . После операции записи проходит импульс из УЗ 18 и измеритель вновь устанавливается в исходное состояние, а информация о величи- 5 не,входного воздействия хранится в
ЗУ 20 в течение цикла измерения.
Минимизация температурной погрешности в предложенном преобразователе осуществляется следующим образом.
I0
Для кварцевого резонатора с зазором температурная погрешность описывается зависимостью: (1т 1 Ф 2 1
+ С (4Т) где ЬТ— интервал рабочих температур
20 температурный коэффициент емкостного отношения температурный коэффициент линейного расширения в направлении толщины кварцевой пластины, К1
К = ы (1+1®д) (1+2м(1+ф/fd)fd а„» с - температурные коэффициенты соответственно 1-го, 2-ro и 3-го порядков пьезоэлемента данного среза. 35
Первое слагаемое выражение у представляет мультипликативную составляющую температурной погрешности пьезорезонансного датчика, так как коэффиценты К„ и K зависят от вели- 40
2 чины зазора d . Когда электроды 5 ,и 6 датчика 2 разомкнуты на выходе генератора 7 присутствует сигнал частоты
45 .и в .реверсивный счетчик записывается
I число, соответствующее количеству импульсов
При замыкании электродов 5 и частота сигнала а количество импульсов, поступающее в счетчик
