Устройство для измерения активного сопротивления кварцевых резонаторов

 

МЩ

Союз Соеетсе}к

Соцнал}}ст}}чесанию

Рес}}ублажи (61) Дополнительное к авт. свил-ву(22) Заявлено 28.01.75(21 } 2100395/18-25 с присоединением заявки ¹ (23) ПриоритетОпубликовано05.03.79.бюллетень Х.9

Дата опубликования описан}}я09.03.79 г . Кл.

01. Й 27/02

Гефударствю}}ай }}эиятО

СССР а двлеи }}306рбт9}пВ

}} ет}}рит}}}}

ДК 621.3L7, 33 (088.8) (72) Автор изобретения

А. Д. Гуторов

Институт экспериментальной метеорологии (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Изобретение относится к измерител} ной технике. Оно может быть использовано для измерения активного сопротивления кварцевых резонаторов, а также служить в качестве датчика влажности или давления газа.

Известны устройства для измерения активнэгэ сопротивления кварцевых резонаторов. Известное устройство содержит измерительный мост с включенными в него кварцевым резонатором и образцовым сппрэтивле}п}ем, усилитель и индикатор баланса моста. Измерительный мост вместе с усилителем образуют автогенератэр, служаший для возбуждения колебаний в кварцевом резонаторе (lj.

Изменяя вручную величину образцового сопротивления, добиваются баланса измерительного моста, о чем судят по показаниям индикатора. Сопротивление резонатора определяют пэ величш е образцового сэпротивлени;, в момент достижения баланса моста.

Недостатком устройства является дискретность измерений.

Наиболее близкое техническое реше ние — параметрический преобразователь эквивалентного сопротивления кварца в

5 электрический сигнал, позволя}опп}й осу"

1цествлять непрерывное измерение соп» ротивлення резо;:атора.

Он содержит измерительный мост с

}О кварцевым резонатором, последовательно с которым включена управляемая коме пенсационная цепочка, состоiппая из па раллельно включенных полупроводникового диода и резистора с конденсатором, усилитель, детектор и регистрируюшее устройство, причем управляемая кэмпенсып}энная цепочка включена в пень об. ратной связи усилителя. Измерительный мост вместе с усилителем обраэуют автогенератэр, с помошью которого в кварцевом резонаторе возбуждаются колебания, стационарная амплитуда которых благодаря обратной связи оказывается .за651271 висящей от его активного сопротивл& ппп (2)

Существенный недостаток известного устройс"гва в -îì,,что измерительный мост содержит реактивные элементы; конденсаторы и полупроводниковый диод, используемый в качестве управляемой емк ост и, Поэтому при изменении активного сопротивления кварцевого резонатора изменяется амплитуда генерируемых колебаний, а вместе с ней - напряжение обрат.гой связи, смешающее р-п-переход полупроводникового диода в обратном направлении. В результате меняется емкость этого перехода, что приводит к измененгдо полного сопротивления компенсационной цепочки, включенной последовательно с кварцевым радиатором.

Известно что прп наличии автоген рации должно выполняться соотношение где

Ж =

К вЂ” коэффициент усиления усилителя, — коэффициент передачи измерительного моста.

Наличие обратной связи в известном устройстве обеспечивает работу усилителя на линейном участке его характеристики. Следовательно, в этом случае

К будет постоянной величиной. Из соот ношения (I) следует, что коэффициент передачи измерительного моста Р также должен быть постоянным. Это условие эквивалентно постоянству активной и реакгивной (Х ) составляюших cohh противления плеча измерительного моста, куда включены кварцевый резонатор и управляемая компенсационная цепочка, так как параметры элементов других его плеч не зависят от напряжения обратной связи. Должно выполняться условие

Х = Х Х =сопМ., (й)

K где Х - реактивная составляющая

K полного сопротивления «варцевого резонатора „

Х, — реактивная составляющая полного сопротивления компенсационной цепочки.

При изменении напряжения обратной связи меняется эквивалентная емкость управляемой компенсационной цепочки, а вместе с ней и Х . Из выражения (2) следует, что одновременно должна изменяться реактивная составлякнцая полного сопротивления кварцевого резонатора Х, Это означает, что кварцевый резонатор будет работать с расст» ройкой относительно частоты последовательного резонансе, где его сопротивление оказывается чисто активным и

pAGJB.IM R °

Таким образом, B известном устройстве измеряется не Я,, а величина, Г рагпая Ц, + Х,, что в результате приводит к значительным погрешностям при измерениях которые дополнительно увеличиваются из- а того, что Х, оказывается переменной.

Использование в известном устройстве нелинейного элемента полупроводникового диода, а также изменение расстройки кварцевого резонатора при изменении его сопротивления R к приводит к нелинейной зависимости между К и выходным напряжением. B результате шкала измерительного прибора оказывается неравномерной, т.е. сжатой на одних участках и растянутой на других.

Это обстоятельство дополнительно увеличивает погрешности измерений.

Цель предлагаемого изобретенияповышение точности измерения активного сопротивления кварцевых резонаторов.

Она достигается тем, что в устройстве, содержащем измерительный мост с включенным в него кварцевым резона—

З5 тором, усилитель, образующий вместе с измерительным мостом автогенератор, детектор и регистрирующее устройство, в плечо моста, противоположное тому, где находится кварцевый резонатор, вклю40 чен полевой транзистор, затвор которого соединен с выходом детектора.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого уст ройства; на фиг. 2 даны кривые, пост45 роенные по результатам экспериментальных измерений.

Предлагаемое устройство содержит измерительный мост, состоящий из реэис50 торов 1 и 2, кварцевого резонатора 3, и полевого транзистора 4; усилитель на транзисторах 5 и 6, имеющий резонансный трансформатор 7; детектор на диодах 8 и 9 и регистрирующее устройство 1р. Вторичная обмотка трансфор55 матора 7 соединена с диагональю измерительного моста.

При разбалансе измерительного моста в устройстве возникают автоколеба651271 ния, стационарная амплитуда которых устанавливается автоматически подачей отдетектированного выходного напряжения в цепь затвора транзистора 4. При изменении активного сопротивления кварцевого резонатора, например, из-за из» менения влажности воздуха, меняется коэффициент передачи измерительного моста, что приводит к изменению напряжения на выходе детектора, которое подводится к затвору транзистора 4. Сопротивление последнего меняется таким образом, что восстанавливается прежнее значение разбаланса измерительного моста. Таким образом, выходное напряжение детектора, измеряемое регистрирующим устройством 10, оказывается зависящим от активного сопротивления кварцевого резонатора. Регистрирующее уст ройство может представлять собой стрелочный или цифровой указатель, отградуированный в единицах сопротивления, влажности или давления.

Сопротивление канала полевого транзистора имеет активный характер. Поэтому использование полевого транзистора в качестве управляемого сопротивления выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как, в отличие от последнего, в нем измерительный мост не содержит реактивных элементов. В результате расстройка кварцевого резонатора сводится к минимуму, что повышает точность измерения активного сопротивления кварцевых резонаторов.

Включение полевого транзистора в плечо измерительного моста, противоположное плечу, в которое включен кварцевый резонатор, позволяет получить линейную связь между активным сопротивлением резонатора и выходным напряжением. Тем самым устраняется другой источник погрешностей измерения, присущий известному устройству.

Кривая 1 (фиг. 2) отражает зависимость активного сопротивления резонатора и выходного напряжения уст ройства. Незначительные отклонения кривой 1 от линейной зависимости происходят лишь вблизи границ рабочего диац эона устройства. Точки 2 соответствуют измеренным значениям выходного напряжения. Расхождение между теоретической кривой и экспериментальными данными не превышает 2-З% и связано, по-видимому, с погрешностями экспери5 мента.

Таким образом, применение полевого транзистора в устройстве позволяет свести к минимуму расстройку резонатора относительно частоты его последователь10 ного резонанса и,тем, самым, повысить точность измерений. Включение же полевого транзистора и плечо измеритель ного моста, противоположное тому, где находится кварцевый резонатор, позволяет получить линейную связь между активным сопротивлением резонатора и выходным напряжением устройства. Благодаря этому дополнительно повышается точность измерений.

Линейная зависимость выходного напряжения предлагаемого устройства err активного сопротивления резонатора упростит регистрацию результатов измерений, так как в этом случае станет воз» можным применение регистрируюших устмройств с линейной шкалой без введения поправок иа нелинейность.

Ф ормула изобретения

Устройство для измерения активного сопротивления кварцевых резонаторов, содержащее измерительный мост,в два плеча которого включены кварцевый резонатор и управляемый резистор, усилитель, детектор, имеюший обратную связь. с управляемым резистором, регистрирующее устройство, о т л и40 ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, управляемый резистор, выполненный в виде полового транзистора, включен в плечо измерительного моста, противоположное

45 тому, где включен кварцевый реэоHBTDP.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

N 202320, кл. G 01 Я 27/02, 1972.

2, Авторское свидетельство СССР

% 256854, кл. G 01 Я 17/00, 1972. и „, а

2,В

2,Ф

1i2 д г ае а6 аа с и

Юа,2

Составитель М. Кривенко

Редактор Б. Павнов Техред Э. Чужяк Корректор II. Василина

Заказ 798/42а Тираж 1089 Подписное

UHHHFIH Государственного комитета СССР по данам изобретений и открытий

113036, Москва, Ж35, Раушскан наб., д. 4/5

Фнииаи ППП Патент, г. Ужгород ул. Проектнан, 4