Дифференциальный пьезоэлектрическийпреобразователь

 

Союз Советских

Социалистических

Респубаин

ОП ИСАНИЕ

ИЗОВРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (say8511 30 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 250280 (21) 2886749/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 300781 Бюллетень HQ 28

Дата опубликования описания 300 7.81 (я)м. к.з

G 01 L 1/16

Государственный комитет

СССР но делам нзобретеннй н открытий (53) УДК Ь31ЛВ1 (088.8) Ф.Ф. Колпаков, В.A. Шевелев, Е.А. Милькевич:, В.М. Чйтова.» .

О.A. Мещеряков, Ю.С. Шмалий и С.A. Андреев (72) Авторы изобретения

Харьковский авиационный институт им. Н.Е.;йуковского

j (71) Заявитель

\ (54 ) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для измерения механических усилий, ускорений,,перемещений, давления и температуры.

Известен дифференциальный преобразователь механических усилий, содер-жащий упругое кольцо с пьезоэлектри10 ческими вибраторами 1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является диффренциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьеэорезонатора, укрепленных на упругом элементе и подключенных к двум asтогенераторам, и.смеситель 1.21.

Недостатком этих устройств является возможность измерения лишь одного параметра — силы. В устройстве, взятом за прототип, чувствительными элементами автогенераторов которого .являются пьезокварцевые резонаторы, измеряемое .воздействие, в частности сила, приводит к изменению частот пьезорезонаторов в противоположные стороны и, в конечном счете, к изменению частот генерации автогенерато ров в разные стороны, в то время как температура приводит к изменению 30 частот пьезореэонаторов и, следовательно, автогенераторов в одну и ту же сторону

- f, + L f (F)+ дт(с)

f - f - hf(F)+ ЬГ(с)

Благодаря дифференциальному включению пьезоэлектрических резонаторов в сигнале разностной частоты на выходе смесителя частично компенсируется влияние одного иэ двух воздействующих на пьезорезонаторы факторов, т.е. температуры. Таким образом, известные устройства позволяют измерять только один параметр — силу, хотя чувствительные элементы(пьезоэлектрические резонаторы) воспринимают воздействие и второго фактора— температуры.

Цель изобретения — обеспечение воэможности дополнительного-измеРЬния температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь введены два коммутатора, тактовый генератор, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, причем выходы автогенераторов соединены со входами коммутаторов, управляющие входы которых подключены к выходу тактового генератрра, первые выходы коммутато851130 ров связаны со входами смесителя, а вторые — co входами фазового детектора, выход которого соединен со вхо.— дом фильтра нижних частот, а его выход подключен ко входам усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами автогенераторов.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь содержит упругий элемент 1 с пьезокварцевыми резона-. торами 2 и 3, подключенными к автогенераторам 4 и 5, и смеситель б, а также два коммутатора 7 и 8, такто- вый генератор 9, фазовый детектор 10, фильтр 11 нижних частот и два усилителя 12 и 13, нагруженных на управ- 15 ляющие входы автогенераторов 4 и 5.

Входы усилителей 12.и 13 связаны с выходом фильтра 11 нижних частот, подключенного входом к выходч фазо- . вого детектора 10, входы которого Щ подсоединены ко вторым выходам коммутаторов 7 и 8, первые выходы которых нагружены на смеситель б,а первые и управляющие входы связаны соответственно с выходами автогенераторов 4 и 5 и тактового генератора 9.

Упругий элемент 1 находится под действием силы и температурного поля в точке измерения. На торцовые поверхности упругого элемента укреплены пьезокварцевые резонаторы 2 и 3, испытывающие точечное нагружение. Резонаторы 2 и 3 подключены соответственно к автогенераторам 4 и 5. Одновременное воздействие силового и температурного полей изменяет резонансные частоты пьезокварцевых резонаторов 2 и 3 и, следовательно, частот генерации „ и f< автогенераторов

4 и 5.

fp1 * kt+ k4 F 40

61, = fpg < kt- kgF где t F — воздействующие температура и сила; — коэффициент преобразования по температуре или коэффициент температурной чувствительности;

k<,1с — коэффициенты преобразования по силе или коэффициенты силовой чувствительности.

Пьезоэлектрические резонаторы 2 н 3 имеют одинаковые коэффициенты преобразования к температуре, что характерно для дифференциальных устройств.

Коэффициенты k< и Q преобразования 55 по силе при дифференциальном включении должны иметь противоположные знаки. В качестве пьезокварцевых резонаторов могут быть выбраны резонаторы LC-среза, имеющие высокие коэффи- 4щ циенты преобразования по силе и температуре и необходимые знаки этих коэффициентов.

Устройство работает следующим образом.

Введение в устройство тактового генератора 9, двух коммутаторов 7 н 8, фазового детектора 10, фильтра

1 нижних частот и двух усилителей 12 и 13 позволяет в течение периода тактового генератора Т = tq + g измерять помимо силы F и второй воздействующий на пьезорезонаторы 2 н 3 фактортемпературу. В первую часть периода

1((О-й„.) тактового генератора 9 происходит измерение силы, когда коммутаторы 7 и 8 подключают автогенераторы 4 и 5 к смесителю б, на выходе которого выделяется частотный сигнал, пропорциональный воздействующей силе

С 1 2 (02 02) (1 2)

Во вторую часть периода Q (t -с ) тактового генератора 9 происходйт йзмеренне температуры, когда коммутаторы 7 и 8 подключают автогенераторы 4 и 5 ко входам фазового детектора 10. В этом случае, поскольку-имеется разность частот д f f -fg, то в устройстве наблюдается режим биений.

В зависимости от знака мгновенного напряжения биений разность между частотами автогенераторов 4 .и 5 то повышается, то понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений, в результате чего на выходе фазового детектора 10 образуется постоянная составляющая напряжения, которая подается через фильтр 11 нижних частот и усилители 12 и 13 с разноименными знаками коэффициентов передачи на автогенераторы 4 и 5 и снижает при определенных условиях частоту биений до нуля. В этом случае с выхода любого из автогенераторов 4 и.5 имеют частотный сигнал, пропорциональный воздействующей температуре

ГЬ Ф4 f k< Р fg fpg 1саF k t

В момент времени t< срабатывают коммутаторы 7 и 8 и подключают автогенераторы 4 и 5 ко входам фазового детектора 10, на выходе которого эа счет разности частот a f =f -f наблюдаются биения, причем напряжение на выходе фазового детектора 10 в режиме биений содержит тем большую постоянную составляющую, чем меньше начальная расстройка в f частот Г и fy, В предлагаемом устройстве благодаря заранее известному выбору знака расстройки hf автогенераторов 4 и 5

H разноименным знакам коэффициентов передачи усилителей 12 и 13, а следовательно, изменению в разные стороны напряжений управления и, в конечном счете, частот управляемых автогенераторов 4 и 5 в определенный момент времени также происходит взаимный захват частот f и f< . В дальнейшем возникающая при изменении воздействия силы Г дополнительная расстройка

851130

Составитель Н. Вовчук

Редактор В. Петраш Техред A. Савка Корректор М. Шароши

Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 631б/55

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 вышеупомянвтых частот автогенерато ров 4 и 5 уже относительно 6t H ïðèâî1 дит к изменению уровня постоянного напряжения на выходах фазового детектора 10 и фильтра 11 нижних частот.

Если при возможных экстремальных расхождениях частот 1 и f<, определяемых диапазонами возможных воздействующих сил расстройка, вносимая управляющими элементами 12 и 13 автогенераторов 4 и 5, достаточна для полной компенсации этих расхождений,: то при включенной системе ФАПЧ напряжение на выходе фильтра 11 нижних частот всегда пропорционально воздействующей на пьезорезонаторы 2 и 3 силе F, а следовательно, учитывая вышесказанное, частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 4 и 5 пропорционален воздействующей на пьеэорезонаторы дополнительно измеряемой температуре

Таким образом, дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь позволяет измерять не только усилие, но и температуру, чем выгодно отличается от известных.

Формула изобретения

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два пьеэорезонатора, расположенных на упругом элементе и подключенных к двум автогенераторам, и смеситель, о т л н ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены цва коммутатора, тактовый генератор, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, причем выходы автогенераторов соединены со входами коммутаторов, управляющие входы которых подключены к выходу тактового генератора, первые выходы коммутаторов связаны со входами смесителя, а вторые со входами фазового детектора, выход которого соединен со входом фильтра

f5 нижних частот, а его выход подключен ко входам усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами автогенераторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 558189, кл; G 01 L 9/08, 08.10.75.

2. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., "Энергия", 1978, с. 120 (прототип).