Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ , содержащий высокочастот1 ный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смеситель , и мембранный датчик на поверхностных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от ее центра расположены пара противолежащихвходных и пара противолежащих выходных встречноштыревых преобразователей (ВШП, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, он дополнительно содержит последовательно включенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выход генератора соединен с входными Bum и вторыми входами первого и с третьего смесителей, вторые входы s второго и четвертого смесителей (Л соединены с соответствующими выходньвии ВШП, выход первого смесителя соединен с лервым входом второго смесителя, а выход четвертого с входом усилителя.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

9192 A (19) (ИУ цыц Н 04 R 17/00; G 01 L 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3484 852/1 8-2 3 (22) 09.08.82 (46) 23.01.84. Бюл. М 3 (72) В.Я.Баржин, А.A.Çåëåíñêèé, Е.С.Колесник, В.Ф.Солодовник и К.В.Скульский (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н. Е.Жуковского (53) 621.317.084.2 (088.8) (56) 1. Иалов В.В. Пьезорезонансные датчики. M. "Энергия", 1978, с. 120-124.

2. Патент CIA 9 4100811, кл. 73-654, опублик. 1978 (прототип1. (54)(57) ЛНФФЕРЕНЦИАЛЬНЫИ ИЗ ЕРНТЕЛЬНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий высокочастот1ный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смеситель, и мембранный датчик на поверхиост ных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической . пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоя нии от ее центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных встречноштыревых преобразователей (ВШП 1, о т л и ч а ю щ и и с -я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, он дополнительно содержит последовательно включенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выход генератора соединен с входными

ВШП и вторыми входами первого и третьего смесителей, вторые входы второго и четвертого смесителей соединены с соответствующими выходными ВШП, выход первого смесителя соединен с первым входом второго смесителя, а выход четвертого с входом усилителя. 1069192

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в акустоэлектронных измерительных устройствах для изме рения давления, температуры и других величин.

Известен дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий два пьезоэлектрических резонатора, схемы их возбуждения, усилители и формиро- t0 ватель разностной частоты t,1J.

Недостатком преобразователя является недостаточно высокая чувствительность и значительная погрешность при малых изменениях из- 5 меряемых величин.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смеситель и мембранный датчик. на поверхностных акустических волнах (ПАВ, выполненный в виде пьезоэлектрической пластиНы, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от ее центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащихЗО выходных встречно-штыревых преобр азователей (ВШП) .

В этом устройстве ВШП соединены с усилит лями так, что образуются 35 два автогенератора, выходы которых через буферные усилители соединены с входами смесителя °

При воздействии на пластину акустического сигнала(при изменении . 4п акустического давления) изменяется скорость и,цлина пути распространения ПАВ. изменяются частоты колебаний автогенераторов с ВШП и соответственно изменяется сигнал разностной частоты на выходе смесителя. Это устройство обладает повышенной линейностью характеристик преобразования акустического воздействия в частоту и малой чувствительностью по отношению к изменениям температуры, влажности и другим дестабилизирующим факторам I:27 .

Недостатками известного устройства является ограниченная чувствительность и высокая погрешность, 55 особенно в области малых информационных воздействий. Его чувствительность зависит в первую очередь от величины времени задержки ПАВ. При малых информационных воздействиях длина 60 пути распространения ПАВ изменяется незначительно, и перестройка выходной частоты оказывается малой. Кроме того, в обоих автогенераторных кольцах неизбежно существуют флуктуации параметров, приводящие к по явлению нестабильности их основных частот и как следствие — к нестабильности разностной частоты. Медленные флуктуации параметров автогенераторов, вызванные такими дест билизирующими факторами, как изменение температуры окружающей среды влажности и др. оказываются коррелированными, поскольку это влияние осуществляется через общую пьезоэлектрическую пластину. Быстрые же уходы их частот некоррелированы, так как они вызваны прежде всего естественными шумами в активных элементах обоих усилителей. Дифференциальный принцип построения устройства позволяет уменьшить влияние медленных флуктуаций. Быст рые же флуктуации не ослабляются. а наоборот увеличивают депрессию флуктуаций выходной частоты, что

Особенно. нежелательно при быстром изменении информационного воздейст вия, например, при использовании измерительного преобразователя в качестве приемника акустических сигналов. Кратковременная относительная нестабильность частот обои автогенераторов определяет пороговую чувствительность измерительного преобразователя и без применения специальнЫх мер по стабилиза ции составляет 1 10 — 5 10 . Например, для частот возбуждения порядка 80 МГц, абсолютные значения уходов частоты составляют 400

800 Гц, что и обуславливает низкую пороговую чувствительность известного устройства и большую погрешность измерений, особенно при малых информационных воздействиях.

Цель изобретения — повышение чувСтвительности дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразователя и точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, усилитель, подключенный к еr о выходу первый смеситель и мембранный датчик на ПАВ, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторо- нах которой на Одинаковом расстоянии от ее центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных ВШП, дополнительно содержчт последовательно включенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выход генератора соединен с входными ВШП и вторыми входами первого и третьего смесителей, вторые входы второ10691 92

Противолежащие ВШП 5, б и 7, 8 расположены на одинаковом расстоянии от центра пластины 3. ЬШП 5,7 и 6,8 образуют две линии задержки ПАВ.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с частотой Юо с высокочастотного генератора 1 поступает на мембранный датчик 2 и одновремен- 40 но к входным ВШП 5,6 и к входам смесителей 9 и 11. Электрические колебания, поступающие на ВШП 5,6 преобразуются в распространяющиеся на верхней и на нижней сторонах мембра 45 ны в обеих линиях задержки одновременно. С выходных ВШП 7 и 8 колебания поступают на входы смесителей

10 и 12 соответственно. Включенные кольцом смесители 9 - 12 и усилитель

13 представляют собой автоколебательную систему, в которой при выполнении условий баланса фаз и балан. са амплитуд возникают автоколебания, частота которых на выходе усилителя 13 равна (в . При отсутствии ин55 формационного акустического сигнала времена задержек ПАВ на верхней и нижней сторонах мембраны 4 при идентичных структурах РШП одинаксвы и равны = /, где 6 — расстояние ие.кду входным и выходным

BQiI1,a V — скорость распространения

ПАВ.Задержанные на время ь сигналы с частотой, равной частоте высокочастотного генератора uD,,но сдвинутые по го и четвертого смесителей соединены с соответствующими выходными

ВШП, выход первого смесителя соединен с первым входом второго смесителя, а выход четвертого — с Входом усилителя.

На фиг. 1 приведена функциональна» схема предлагаемого измерительного преобразователя, на фиг.2 конструкция мембранного датчика.

Измерительный преобразователь содержит высокочастотный генератор

1 и мембранный датчик 2, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины 3, имеющей утоньшение-мембра— ну 4. На обеих сторонах мембраны 4 расположены соответственно два входных 5, б и два выходных 7, 8

ВШП. Входные ВШП 5 и б подключены к высокочастотному генератору 1.

Измерительный преобразователь содержит также последовательно соединенные четыре смесителя 9-12 и усилитель 13. Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9 и третьего 11 смесителей. Вторые входы второro смесителя 10 и четвертого 12 соединены с выходными ВШП 8 и 7 соответственно. Выход усилителя 13 соединен с первым входом первого смесителя 9.

30 фазе относительно него на величину

,д) подаются на смесители 11 и 10.

На входы смесителя 9 поступают сигналы с частотами uD и ;а1д где ОС вЂ” частота колебаний сигнала, поступающ го на второй вход смесителя 9 с 13. На выходе смесителя 9 выделяется сигнал суммарной частоты й),i аа, На выходе второго смесителя 10 формируется колебание с разностной частотой и поступает на первый вход треть его смесителя 11. На второй вход третьего смесителя 11 поступает колебание с выхода генератора 1. На выходе третьего смесителя выделяется колебание с разностной частотой -;д,, которое поступает на вход четвертого смесителя 12.

На второй вход четвертого смесителя

12 поступает колебание с выходного ВШП. На выходе четвертого смесителя формируется колебание с суммарной частотой Ыс,-ча,+;d, При прохождении в усилителе 13 колебания усилива:тся и задерживаются на время . . Лля данного режима работы рассматриваемого измерительного преобразователя характерным является то, что частота автоколебаний а)а должна быть больше, чем частота колебаний генератора ,и и усилитель 13 может быть как инвертируем. .и, так и неинвертируе— мым. Воз.юрген другой режим работы предлагае юга устройства, при котором сЬ, - .

B динамическом режиме, т. е. при воздействии информационного сигнала мембрана испытывает механические деформации, что приводит к изменении геометрии ВШП и к изменению пути распространения ПАВ. Это приводит к противофазному изменению времени задержки сигнала, распространяющегося по верхней и нижней сторонам. При этом приращения длин пути распространения ПАВ л Е на верхней и нижней сторонах мембраны одинаковы, то противоположны по знаку, изменения времен задержки высокочастотного сигнала также одинаковы и противоположны по знаку и составляют величину

" л .-ьILjv . В то же время колебания с ВШП 7 и 8 поступают на входы смесителей 10 и 12, которые в процессе преобра,orания вносят фазовые сдвиги а)ь (t+ а t1 . Следовательно в кольцевой автоколебательной системе, .образованной последователь— ным соединением смесителей 9-12 и усилителя 13 произойдет изменение суммарного азового набега на величину = 2 о Xt . Изменение суммарного фазового сдвига приводит к. нарушению условия баланса фаз на частоте td, что ведет к изменению

1069192

Составитель В.Банков

Редактор A Øàíäoð Техред С.Легеза Корректор A.Äçÿòêo

Заказ 11495/57 Тираж б35 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 частоты автоколебаний кольцевой системы. Новая частота <да определя- ется из условия баланса фаз.

Таким образом, при воздействии на измерительный преобразователь информационного сигнала изменяется суммарный фазовый набег в кольцевой автоколебательной системе, состоящей из смесителей 9 - 12 и усилителя 13, и,следовательно, изменяется частота автоколебаний этой цепи.

При этом линейное изменение AY при,вбдит к линейному изменению выходной .частоты преобразователя.

Особенностью предлагаемого устройства является то, что его выходная частота при идентичных смесителях практически не зависит от частоты высокочастотного генератора

Ы, а, следовательно, и от его нестабильности. Кроме того, воздействие всех дестабилизирующих факторов на мембрану приводит к одинаковйм по величине и знаку изменениям задержки IIAB на ее верхней и нижней сторонах, а за счет противофазного сфЖения фазовые сдвиги, обусловленные изменением этих задержек, компенсируются в кольцевой автоколебательной системе. Эти обстоятельства позволяют существенно повысить .чувствительность измерительного преобразователя и точность измерений информационного сигнала, Предлагаемый измерительный преобразователь.по частоте 80 МГц при

10 с и относительной не10 стабильности частоты 10 более чем в 600 раэ,чувствительней известного преобразователя в случае, если усилитель является инвертирующим и чувствительней более чем в 300 раз, 5 если усилитель является неинвертирующим. Минимальное фиксируемое информационное приращение адекватно определяют среднеквадратическую погрешность измерения. Поэтому можно погрешность преобразования в предложенном устройстве во столько же раэ меньше, по сравнению с известным.

Таким образом, предлагаемое

25 устройство обладает более высокой чувствительностью и точностью по сравнению с известными измерительными преобразователями.

I ф 7