Пьезокварцевый преобразователь температуры в частоту

 

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам для измерения температуры с помощью пьезокварцевых термопреобразователей, и может быть использовано при построении телеметрических систем контроля температурных воздействий на исследуемый объем. Сущность изобретения: с целью увеличения чувствительности и повышения точности преобразования, выход эмиттерного повторителя подключен через резистор к базе транзистора, один из кварцевых резонаторов выполнен двухчастотным с температурными коэффицентами разных знаков, а первый конденсатор включен последовательно с другим одночастотным кварцевым резонатором. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (11) (51) 5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР с.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 3804289/24-.10 (22) 23..10.84 (46) 23.07.90. Бюл. № 27 (71) Харьковский авиационный институт нм. Н.Е. Жуковского (72) В.Я. Баржин, В.Ф. Солодовник, В.А, Шевелев и й.С. Шмалий (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1046625, кл. G 01 К 7/32, 1980.

Салодовник В.Ф. Функциональные возможности разностных кварцевых генераторов. — В кн.: Материалы Всесоюзной школы-семинара по стабилизации частоты.- M., ВИМИ, 1980, с.4952. (54) (57) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЧАСТОТУ, содержащий кварцевый генератор, выполненный по схеме емкостной трехточки на транИзобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам цля измерения температуры с помощью пьезокварцевых термопреобразователей, и может быть использовано при построении телеметрических систем контроля температурных воздействий на исследуемый объем.

Целью изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя; на фиг. 2 — типичный спектр частот кварцевого резонатора ЬС-среза вблизи основной частоты, обусловлензисторе с общим коллектором с двумя термочувствительными кварцевыми резонаторами, включенными соответственно через первый конденсатор и непосредственно между общей шиной преобразователя и базой транзистора, змиттер которого подключен к входу RC-фильтра нижних частот и через второй конденсатор соединен с входом эмиттерного повторителя, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и повышения точности преобразования, выход эмиттерного повторителя подключен через резистор к базе тарнзистора, один из кварцевых резонаторов выполнен двухчастстным с температурными козффициентами разных знаков, а первый конденсатор включен последовательно с другим одночастотным кварцевым резонатором, ный ангармоническими колебаниями QQ сдвига по толщине; на фиг. 3 — темпе- () ратурно-частотные характеристики ос- ) новного и интенсивных ангармоничес- Q() ких колебаний кварцевого резонатора Щ

LC-среза; на фиг. 4 — графики зависимости частот f, (z. = 1,3), f<, = (3 — 1,3) и выходного колебания f пре- образователяя от температуры.

Преобразователь содержит генератор, выполненный по схеме емкостной трехточки, включающий в себя транзистор

1, конденсаторы 2 и 3 связи, нагрузочный резистор 4, одночастотный кварцевый термочувствительный резо1580183

Проведенные измерения температурно-частотных характеристик (ТЧХ) на основном колебании и ангармониках кварцевых резонаторов LC-среза показали, что ТЧХ ангармонических колебаний, как и в резонаторах AT-среза, поворачиваются относительно ТЧХ на основном колебании по часовой стрелке (фиг. 3) и имеют, как и основное колебание, линейные ТЧХ. При этом, если основное колебание f ц и ближайшие ангармоники f « и f >, имеют положительный знак коэффициента температурной чувствительности, то ангармонические моды Е,, fin и т.д., частоты которых превышают в 1,2 раза частоту основного колебания, имеют

45 натор 5, первый конденсатор 6, двухчастотный кварцевый термочувствительный резонатор 7 с температурными коэффициентами разных знаков, выходной

Кс-фильтр 8 нижних частот, второй конденсатор 9, эмиттерный повторитель 10, включающий в себя транзистор

11, резисторы 12 и 13 для задания режима работы транзистора и нагрузоч" 1р ный резистор 14, резистор 15 и блокировочный конденсатор 16 для шунтирования по высокой частоте источника питания (источник питания не показан).

Преобразователь работает следующим 15 образом.

В преобразователе используются два кварцевых резонатора 5 и 7 LC-среза, обладающих линейными температурно-частотными характеристиками, кото- щ рые, как и -резонаторы AT-среза, являются мультимодными (многомодовыми) с интенсивными ангармоническими модами. Резонаторы этого типа, как и резонаторы AT-среза, Y-среза и т.д., принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией толщинно-сдвиговых колебаний.

На фиг. 2 приведен типичный спектр колебаний для резонаторов 1.С-среза, как герметизированных с гелиевым заполнением, работающих на основной частоте 5 МГц, так и высокодобротных в стеклянных вакуумированных баллонах работающих на частоте 5 МГц по третьей гармонике. На этом графике 5 — ам35 плитуда колебания, Е,„„„ — частота колебания, m, n и р — числа стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов ( пла стины) ВДОль Осей Y Х и Z КВар 4О цевого резонатора соответственно, уже отрицательный коэффициент температурной чувствительности. Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с минимальным динамическим сопротивлением R>, всего лишь в 3-5 раз большим Rg на основном колебании), имеющим отрицательный коэффициент температурной чувствительности, является колебание fö, частота которого для различных резонаторов в 1,221,24 раза превышает частоту основного колебания.

Исследования показали, что в кварцевых резонаторах LC-среза имеется воэможность управлять разносом основного колебания и ангармониками по частоте, их добротностью, а также величинами и знаками коэффициентов температурной чувствительности на основном колебании и ангармонических модах путем изменения геометрии резонатора и электродов кварцевого резонатора.

В описываемом преобразователе возбуждаются колебания некратных частот f<, f< и f» близких к собственным резонансным частотам кварцевых резонаторов 5 и 7 и зависящих от измеряемой температуры следующим образом:

f; = f;,(1+т (т-т))

=f; +с (т-т), >=13, (1) температура в реперной точке, 3 Г; коэффициент термо

ЭТ; где Т

О ст; чувствительности;

Ы; ;3Т, т — температурный коэффициент частоты

f — частоты кварцевых резонаторов в реперной точке.

Частоты f(и fg стабилизируются резонансными частотами кварцевого резонатора 7, т.е, частотой основного обертона f „« с положительным коэффициентом температурной чувствительности Ст, и частотой интенсивного ангармонического обертона f „ с отрицательным коэффициентом температурной чувствительности С.т соответственно.

Частота f> определяется резонансной частотой кварцевого резонатора 5 и имеет положительный температурный (2) 5 15801 коэффициент температурной чувствительности С. э

Ввиду нелинейной характеристики транзистора при работе генератора в трехчастотном режиме (в режиме воз5 буждения трех кварцованных частот f (Ф и f ) в спектре коллекторного тока транзистора существуют комбинационные колебания частот f „ = +mf, +

+ nf< + kf . Наиболее интенсивными из них оказываются низкочастотные составляющие низкого порядка р =

= m + n + k «+ 4, т.е. разностные составляющие частот 15

Р = — 4(ь, fp =f)-fz; рэ = э (>

Р pz p!

На фиг. 4. показаны типовые зависи- мости частот f (9 f . f з f fpz

f (э и f р от температуры Т при предположении, что f (а f z «

Устойчивость трехчастотного режима 25 кварцованных колебаний частот f (, f и f> обеспечивается за счет того, что для наиболее интенсивных разностных комбинационных колебаний (2) в генераторе введена дополнительная 30 нерегенерирующая положительная обратная связь, реализованная эмиттерным повторителем 10, подключенным к эмиттеру транзистора генератора через конденсатор 9 и к базе транзистора генератора через резистор 15. Цепь дополнительной обратной связи имеет такую полосу пропускания, что пропускает с эмиттера на базу транзистора генератора все наиболее интенсивные 4О комбинационные составляющие (2). При этом фазовый набег по кольцу обратной связи для этих колебаний равен нулю, так как в кольцо последовательно включены два эмиттерных повторите- 45 ля. Самовозбуждение этих, колебаний невозможно, так как коэффициент усиления кольца k 1. При возбуждении колебаний частот f<, f,. и f> появляются комбинационные колебания частот

f p<, f pq u f pp, энергия которых вносится в кольцо дополнительной обратной связи и делает его регенерирующим. Возбудившиеся колебания син1 хронизируются по частоте частотами

Е,, К, f p, Е рр комбинационных колебаний и стимулируют устойчивую генерацию трех кварцоганных колебаний частот f (, fq u f y, 83 6

В области нижних частот частота— среза полосы пропускання цепи обратной связи определяется Г-образным .RC-фильтром верхних частот, состоящим из конденсатора 9 и резисторов 12 и 13 базового делителя эмиттерного повторителя, В области верхних частот частота среза полосы пропускания цепи дополнительной положительной обратной связи определяется Г-образным

RC-фильтром нижних частот, состоящим из резистора 15 и статических емкостей кварцевых резонаторов.

В качестве выходного колебания преобразователя используется колебание с.частотой

fop = fpz» fp f > + f(2f< ° (3)

При обеспечении требования f pp (<:: .

<< К р(, выходное колебание частоты f. эффективно фильт руется простыми средствами — RC-фильтром 8 нижних частот.

Уходы частот Pf 3f и Р f з, обусловленные дестабилизирующими и информационным (температурой) факторами, вызывают уход частоты

3Е, = 3Г, + gf, — ЕЗК,. (4)

С учетом (1) температурные уходы Г;(Т) = Ст ЬТ, i = 1,3, (5) где Ст,>0, Ст (0, Сг ОО.

При 1С, ):(С, (a С„ = Ст с учетом (4) и (5) (К = 4C,-ЬТ. (6)

Уходы частот f (, f< и f> за счет дестабилизирующих факторов. (ДФ), определяющих режимную и кратковременную нестабильность, т.е. за счет шумов активного элемента, изменений напряжения источника питания и т.д., имеют одинаковый знак, поэтому

5 f р (ЛФ) = 4 з(ДФ) + f((ДФ)- 2 о f (ДФ), (7)

Меняя чувствительность частоты f к дестабилизирующим факторам, например,, изменяя емкость конденсатора 6, можно обеспечить выполнение следующего равенства:

23f (ДФ) = Rf (ДФ) + Ef, (ДФ), (8) при котором с учетом (7)

Ef pр(ДФ) = О. (9) 1580183

Увеличение информационных уходов (б) частоты f и уменьшение ее уходов (9), вызвайных де ста билизирующими, факторами, в конечном итоге приводят к увеличению чувствительности преоб5 разователя, причем реальный выигрыш достигает (40-100) относительно преобразователей с одним термочувствительным резонатором. 1О

Повышение точности преобразования происходит как вследствие увеличения чувствительности преобразователя, так и вследствие уменьшения дрейфа нуля из-за старения пьезорезонаторов.

Так как выходным колебанием преобразователя является разностно-разностная частота f — г ) — ( — f ), то уходы нуля взаимно компен\ сир уются .

1580183

Составитель В. Куликов

Редактор О. 1Орковецкая Техред П.Олийнык Корректор C-«PHH

Заказ 2004 Тираж 511 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101