Датчик давления

 

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий монокристаллическую пьезоэлектрическую пластину с выполненной в ней мембраной и двумя линиями задержки поверхностных акустических волн с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, два смесителя и первый усилитель, выход которого соединен с первым входом первого смесителя и иэмерителем частоты,а входс выходным встречно-штыревым преобразователем первой линии задержки через второй смеситель, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения и упрощения датчика, в него введены второй усилитель и фильтр нижних частот, при этом вторая линия задержки также расположена на внешней стороне пьезоэлектрической пластины, причем первая линия задержки находится на мембране , вторая - вне мембраны, а их продольные оси ориентированы под углом друг к другу, при котором выполняется условие uJgoC,oJi-Xi, где uJj частота сигнала на первом входе второго смесителя при нормальном давлении и нормальной температуре окружающей среды, о)-, частота сигнала на выходе второго усилителя при нормельной температуре окружающей среды, S коэффициенты температурной зависимости времени задержки соответственно первой и второй линии задержки, выход первого смесителя соединен с входным встречно-штыревьм преобразователем первой линии задержки, выго ходной встречно-штыревой преобразователь которой подключен к первому входу второго смесителя, выход кото- . Од рого соединен с входом первого усисо Од лителя через фильтр нижних частот, при этом генератор образован входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями второй линии задержки , подключенными соответственно к выходу и входу второго усилителя , выход которого подсоединен к вторым входам первого и второго смесителей.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„;,120169 (51) 4 G 01 Ь 11/00

ОГ1ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3769573/24-10 (22) 09.07,84 (46) 30.12.85. Бюл. N- 48 (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е.Жуковского (72) В.Я. Баржин, Е.С. Колесник, В.Л. Сорокопут и А.И. Черепков (53) 531.781(088.8) (56) Левина Е.С., Новицкий П.В.

Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 129-131.

Авторское свидетельство СССР

В 1069192, кл. С 01 L 1/16, 1984. (54)(57) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий монокристаллическую пьезоэлектрическую пластину с выполненной в ней мембраной и двумя линиями задержки поверхностных акустических волн с входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями, два смесителя и первый усилитель, выход которого соединен с первым входом первого смесителя и измерителем частоты,а вход- . с выходным встречно-штыревым преобразователем первой линии задержки через второй смеситель, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения датчика, в него введены второй усилитель и фильтр нижних частот, при этом вторая линия задержки также расположена на внешней стороне пьезоэлектрической пластины, причем первая линия задержки находится на мембране, вторая — вне мембраны, а их продольные оси ориентированы под углом друг к другу, при котором выполняется условие

2 где и) — частота сигнала на первом

C входе второго смесителя при нормальном давлении и нормальной температуре окружающей среды, — частота сигнала на выходе второго усилителя при нормельной температуре окружающей среды, O „, k< — коэффициенты температурной зависимости времени задержки соответственно первой и второй линии задержки, выход первого смесителя соединен с входным встречно-штыревым преобразоший .вателем первой линии задержки, выходной встречно-штыревой преобразователь которой подключен к первому входу второго смесителя, выход которого соединен с входом первого уси- Ж лителя через фильтр нижних частот, . C© при этом генератор образован, вход- фф ным и выходным встречно-штыревыми преобразователями второй линии задержки, подключенными соответственно к.выходу и входу второго усилителя, выход которого подсоединен к вторым входам первого и второго смесителей.

96

2 тотой сЬ, равной сумме частот колеба1 ний, поступающих на первый и второй входы первого смесите(ля 2. При этом в качестве фильтра, служащего для выделения колебаний с частотой ь), использованы встречно-штыревые преобразователи 4 и 5 линии 3 задержки. На выходе фильтра 7 нижних частот выце-. ляются колебания с частотой, равной разности частот колебаний, поступающих соответственно на первый и второй входы второго смесителя 6. Частота с,1 выделяется таким образом, чтобы

4 )2016

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборостроении, автоматике и других областях техники.

Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение датчика давления.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого датчика. давления.

Ф 1О

Датчик давлейия содержит соединенные в кольцо первый усилитель 1, первый смеситель 2, первую линию 3 задержки с входным 4 и выходным 5 встречно-штыревыми преобразователя- 15 ми, второй смеситель 6, фильтр 7 нижних частот, выход второго усилителя 8 подключен с одной стороны к второй линии 9 задержки, а именно к. ее входному встречно-штыревому 20 преобразователю 10, к вторым входам смесителей 2 и 6. Вход второго усилителя 8 соединен с выходным встречно-штыревым преобразователем 11 линии 9 задержки, а выход первого усилителя 1 подключен к измерителю 12 частоты. Линии 3 и 9 задержки расположены на одной стороне пьезоподложки 13, причем первая линия 3 задержки находится на мембране 14, к которой приложено измеряемое давление, продольные оси линий 3 и 9 задержки образуют угол, при котором выполняется условие

<д) - ц) = g) сс ц) й

55 где И вЂ” частота колебаний на первом

1 входе второго смесителя 6

Ф при номинальном давлении и нормальной температуре окру- 40 жающей среды; (,) — частота колебаний на выходе

1 второго усилителя 8 при нормальной температуре окружающей среды; 45 (. „- температурный коэффициент задержки i-ой линии задержки.

Это условие выполняется путем определенного относительного расположения линий 3 и 9 задержки благодаря 50 тому, что в- зависимости от направления распространения поверхностных акустических волн относительно кри-. сталлографических осей пьезоподложки 13 температурный коэффициент времени задержки принимает различные значения. На первом входе второго сме сителя 6 выделяется колебание с часДатчик давления работает следующим образом.

При номинальном давлении Рд и нормальной температуре окружающей среды В(» в автоколебательной системе, представляк"(ей собой соединемные в кольцо первый усилитель 1, первый смеситель 2, первую линию 3 задержки с входным 4 и выходным 5 встречно-штыревыми преобразователями, второй однополосный смеситель 6 и фильтр 7 нижних частот, возникают колебания с частотой сд после того, как на вторые входы смесителей 2 и

6 поступят:.колебания с частотой

,), которые возникают в автогенераторе, образованном соединенными в кольцо вторым усилителем 8 и второй линией 9 задержки. Соотношение между частотой автоколебаний vJ„ è параметрами элементов, входящих в состав предлагаемого датчика, определяется условием баланса фаз в автоколебательной системе, образованной соединенными в кольцо блоками 1-7.

Соотношение между частотой d„ и параметрами элементов, входящих в состав датчика давления, определяется следующим образом. Используются следующие обозначения

,>„ + — полная фаза колебаний, существующих на выходе усилителя 1, +(— полная фаза колебаний, поступающих на вторые входы смесителей 2 и 6.

На основании введенных обозначений можно записать выражения для полных фаз колебаний соответственно на выходе линии 3 задержки и на входе пер вого усилителя 1;

96 4 или с учетом выражения (2) 4 d = 4 L

«д» (4) - ) а-D"ь =г7к

1 Е 1 Ф

35 (1) 45

По значению »л)», измеренному частотомером 1?, судят о величине номинального давления.

При отклонении давления от номинального значения на величину ЬР при5О нормальной температуре окружающей среды to диафрагма 14 деформируется, в результате чего время задержки линии 3 задержки изменяется на велил чину дЕ» . Приращение частоты д»л)» в SS этом случае равно д 4J» д г» (3) »»2 «»»

Ац„) = — »г».

2 г. (8) з 12016

+» = K + f + > = a » — полная фаза коле- * баний на выходе линии 3 задержки, P ã= „ + -»л)г -»».1 g причем г» Е =»),+ ), полная фаза колеба-S ний на входе первого усилителя 1, а

8 — задержка сигнала в фильтре 7 нижних частот. 1О

Из последнего выражения следует, что сдвиг фаз между колебаниями на входе первого усилителя 1 и первом входе смесителя 2 равен

AV =,-(DÌ+ )=»игл - 1

Автоколебательную систему, образованную соединенными в кольцо усилителем 1, первым смесителем 2, первой линией 3 задержки с входным 4 и выходным 5 встречно-штыревыми преобразователями, вторым смесителем 6 и фильтром 7 нижних частот, можно преДстаВить В ВиДе усилителя 1 ох ваченного четырехполюсником положительной обратной связи, входом которого является первый вход смесителя

2, а выходом — выход фильтра 7 нижних частот. Частота колебаний »)1 может быть найдена из уравнения балан. са фаз, которое для автоколебательной системы, состоящей из блоков 1-7, может быть представлено В виде где — »1газовый сдвиг, вносимый усилителем 1, К вЂ” целое число. 40

Из уравнения (1) находим частоту автоколебаний м)»

s„- г7к - v„I.„„ л (2) Фиксируя приращения 4»>1 частотомероы

1., можно судить о Величине прираще1 г ния измеряемого давления hP.

При одновременном изменении температуры окружающей среды и величины измеряемого давления датчик работает следующим образом.

При изменении температуры окружающей среды на величину Ь| и давления на величину д Р частота колебаний сД изменяется на величину

Э»»31 Г ч % «1 »»)» + 3»л)»

8d„=- " аi» ++7,)+ h»9 +ам) (5) где д Е,, Ав, д», г — соответственно изменения времени .задержки линии 3 задержки, времени задержки сигнала в фильтре 7 нижних частот, а также частоты автогенератора, образованного соединенными в кольцо вторым усилителем 8 и второй линией 9 задержки, при изменении температуры окружающей среды на величину h t.

Из выражений (3) и (5) следует, ;„,а — ь6 - —.ы, (6) л у л+у г.

СИЛУ TOI О г ЧТО »J )) Q» нием изменения. задержки сигнала в фильтре нижних частот дО можно пренебречь. Поэтому исключая слагаемое

»»- »,л) 1

Д д > соотношение (6) можно записать в виде

8 »=- (ы, 41,) -..— - — дц) (g» г +4) () «».у z

Изменение, частоты автогенератора, образованного соединенными в кольцо вторым усилителем 8 и второй линией

9 задержки,д»„) при изменении темпе»» ратуры окружающей среды обусловлено изменением времени задержки г. линии 9 задержки на величину д г., " .

Аналогично выражению (5) можно записать

В то же время изменение времени задержки i-ой линии задержки, обу;словлено изменением температуры

П зр Л

Д1, = б ; „А1, 3 1201696 4 окружающей среды на величину Д, ны одна относительно другой таким обможет быть записано в виде азом, что выполняется условие 4 (,= 4 « то выражение (10) можно записать в виде (9)

Из последнего выражения следует, что г е - температурный коэффициент за. где ; - темпера ур " фф в датчике давления приращение час,цержки х-ой линии задержки. тоты К,),не зависит от изменения темПо ставив выражения (8) и (9) в соуры ется только изменением величины изме а), д Г ряемого давления. ер < +g L E 3 е lj Таким образом, лредлоиенный дат1 1 чик давления при одновременном его

Но так как в данном датчике давле- 15 упрощении позволяет повысить точность ния линии 3 и 9 задержки расположе-, измерения давления.

ВНИИПИ Заказ 7995/42 Тираж 896 Подписное е

Филиал ППП "Патент", геУжгородр ул.Проектная, 4