Дефференциальный пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величин и может использоваться при построении телеметрических систем одновременного контроля силовьЬс и температурных воздействий на исследуемый объект,. Цель изобретения - увеличе- . ние чувствительности к измеряемым параметрам и повышение точности измерений . Преобразователь содержитчувст (Л (О со ю со Од 4i

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1232964 А 1

«бц4 G 01 L 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВРЩЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

f10 делАм изОБРетений и ОтнРытий (21) 3743992/24-10 (22) 23.05.84 (46) 23.05.86. Бюл. У 19 (7 1) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. H.Е.Жуковского (72) В.Я.Баржин, Ф,Ф,Колпаков, В.А.Шевелев и В.Ф.Солодовник (53) 531 781(088.8) (5e) Авторское свидетельство СССР

У 851130, кл. G 01 L 1/16, 1980.

Авторское свидетельство СССР

В 1008629, кл. G 01 L 1/16, 1982. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ .ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величин и может использоваться при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый объект.. Цель изобретения — увеличе- . ние чувствительности к измеряемым параметрам и повышение точности измерений. Преобразователь содержитчувст1232964 вительный элемент 1 с пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к двухчастотному автогенератору 3,выход к,торого соединен с фильтрами 4 и 5.

Фильтр 4 настроен на основную частоту пьезорезонатора 2 и связан с входом смесителя 7, фильтр 5 настроен на ангармонику пьезорезонатора 2 и соединен со смесителями 8 и 10. Входы смесителей 7 и 8 через автогенераторы 11 и 12 связаны с выходами усилителей 19 и 20 соответственно, а выхоИзобретение относится к технике измерений неэлектрических величин и может быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый, объект.

Цель изобретения — увеличение чувствительности к измеряемым параметрам и повышение точности измерений. !

На чертеже представлена функцио-, нальная схема предлагаемого,цифференциального пьезоэлектрического преобразователя.

Преобразователь содержит чувствительный элемент 1 с пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к двухчастотному автогенератору 3. Вход автогенератора 3 соединен с первым и вторым фильтрами 4 и 5. Выход первого фильтра 4, настроенного на основную частоту пьезорезонатора 2, связан с первым входом первого смесителя 7, выход второго фильтра 5, настроенного на ангармонику пьезорезонатора 2, соединен с первыми входами второго и четвертого смесителей 8 и 10. Вторые входы первого 7 и второго

8 смесителей через первый 11 и второй

12 автогенераторы связаны с выходами первого 19 и второго 20 усилителей соответственно, а выходы нагружены на входы первого фазового детектора

15, соединенного через первый фильтр

17 нижних частот с входами первого 19 и второго 20 усилителей. Второй выход второго автогенератора 12 связан че5

ЗО

35 ды нагружены на входы фазового детектора 15, соединенного через фильтр нижних частот (ФНЧ) 17 с входами уси— лителей 19 и 20. Вторые входы смесителей 9 и 10 через автогенераторы 13 и 14 связа.ны с выходами усилителей

21 и 22, а выходы нагружены на вхоцы фазового детектора 16, соединенного через ФНЧ 18 с входами усилителей 21 и 22. При этом автогенераторы 11, 12.

13 и 14 выполнены двухчастотными.

1 ил. рез третий фильтр 6 с первым входом третьего смесителя 9. Вторые входы третьего 9 и четвертого 10 смесителей через третий 13 и четвертый 14 автогенераторы связаны с выходами третьего 21 и четвертого 22 усилителей, а выходы нагружены на входы второго фазового детектора 16, соединенного через второй фильтр 18 нижних частот с входами третьего 21 и четвертого 22 усилителей. При этом автогенераторы 11 — 14 выполнены двухчастотными.

Конструктивно двухчастотный автогенератор 3 и фильтры 4 и 5 могут быть выполнены в виде унифицированного модуля-источника 23 информационных сигналов. Смесители 7 и 8, фазовый детектор 15, фильтр 17 нижних частот, усилители 19 и 20 постоянного тока и двухчастотные автогенераторы 11 и 12, а также смесители 9 и 10, фазовый,цетектор 16> фильтр 28 нижних частот, усилители 21 и 22 постоянного тока и двухчастотные автогенераторы 13 и 14 конструктивно могут быть реалйЪованы в виде однотипных унифицированных модулей 24 и 25 разделения составляющих информационных сигналов с перестраиваемыми коэффициентами. усиления усилителей 19-22 постоянного тока, изменяемыми начальными частотами управляемых кварцевых генераторов 11 — 14 и диапазонами их перестройки по частоте.

Работа дифференциального пьезоэлектрического преобразователя происходит следующим образом.

1232 >64

Г =f -f =F =f -f

Р1С(Ф А Р7о (3) f =f

Р„ о где а, а а7 (4) Т, F

F, Т, f =f — f

Р7 7О 7О (5) Упругий. (чувствительный) элемент

1 находится под действием силового и температурного полей в точке измерения. На торцовой поверхности упру— гого элемента 1 укреплен пьезокварцевый резонатор 2, испытывак6ций точеч— ное нагружение и возбуждаемый одновременно на двух модах.

Пьезорезонатор 2 подключен к авто 1О генератору 3, работающему в двухчастотном режиме. С целью обеспечения высокой линейности и крутизны преобразования температурно-частотных и сило-частотных характеристик как на основной частоте, так и на ангармонике, целесообразно применение в качестве пьезорезонатора 2 кварцевого резонатора LC-среза.

В дифференциальном пьезоэлектрическом преобразователе необходимо обеспечить определенный разнос между частотами основного колебания пьезорезонатора (моды f ) и ближайшего по интенсивности ингармонического колебания (моды f„, ), где индексы

m, n, р при f означают число стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль осей у, х, z соот— ветственно. Кроме этого, необходимо обеспечить высокое качество (добротность) как основного, так и побочного (ангармонического) резонансапьезорезонатора 2.

В преобразователе после фильтров

4 и 5, связанных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3 и настроенных на основную частоту f и Йд соответственно, имеются, в зависимости от одновременно воздействующих на упругий (чувствительный) элемент 1 силы F и температуры Т, час тотные сигналы следующего вида: й, =й, +а „(F F )+а (Т-Т, ); (1)

f, =f„+a (Р— F- )+а (Т-T ), (2) коэффициенты термочувствительности; коэффициенты тензочувствительности; измеряемые температура и сила (текущие); координаты реперной точки, в которой опре- 55 деляются коэффициенты термочувствительности а„,, а, и коэффициенты тензочувстви тельности а, а„; о (I частота основного колебания в реперной точке; о частота ангармоники в в реперной точке.

Сигнал с вьжода фильтра 4 поступает на первый вход первого смесителя 7, а сигнал выхода фильтра 5 поступает на первый вход второго 8 и четвертого смесителя 10. Каждый из унифицированных модулей 24 и 25 раз.деления составляющих информационных сигналов в исходном состоянии, т.е. при воздействии на чувствительный элемент 1 температуры Т=Т, и силы

F=F, настраивается так, чтобы выходные разностные частоты f u f nepР, Р7 вого 11 и второго 12 двухчастотньж автогенераторов, поступающее на вторые входы первого 7 и второго 8 смесителей, были равны соответственно

=с

=f,, f =f,, а выходные разностные частоты fp u fp третьего 13 и

Р . Р( четвертого 14 двухчастотных автогенераторов, поступающие на вторые входы третьего 9 и четвертого 10 смесителей, были равны соответственно

=f f =f

РЪ P >a Р4 Р(О

Кроме этого, выходные разностные частоты f и f двухчастотных уп1 7 равляемых кварцевых автогенераторов

11 и 12 выбирают так, чтобы выходные частоты первого 7 и второго 8 смесителей F =f -f и F =f -f при темР2 пературе Т=Т, и силе F-F оказались равными

Условия fq =f, и fp =fp обеспеР1о Р2 Р2(;( чиваются такйм выбором основных час(7 тот f„ и f двухчастотного автогенератора 11, чтобы при температуре

Т=Т, и силе F=F и таким выбором основных частот f

2 и f двухчастотного автогенератора

12, чтобы при температуре Т=Т, и силе F=F, Аналогично выходные разностные частоты двухчастотных управляемых

5 кварцевых автогенераторов 13 и 14 выбираются так, чтобы выходные часто ты Р> и Р,, третьего 9 и четвертого

10 смесителей Р =f -Гр и FÄ,=f -fð при температуре Т=Т, и силе Р=Р ока- 5 зались равньпчи а

k упт „2 (а, -а (12) " упт

1232964 б стоянного тока, коэффициенты усиления которых выбраны следующими: (6) F =f -f =F =f -f

З pp A p o (7) 15

-К

Р 30 Зо

1 и таким выбором основных частот f< и f двухчастотного автогенератора 14, чтобы

f =f -Ф

r qp 40 4> (8) 20

При воздействии на чувствительный элемент 1 текущих Р и Т частотные сигналы на выходах первого 7 и второго 8 смесителей примут вид 25

F, =F, +а„ „(Р-F. )+а, (Т-т, ), (9) Р =F+a (F-F )+а (Т-Т ) 2 21 б g2 о

Из-за различия коэффициента термои тензочувствительности на основной частоте f (моде f, ) и побочном ре1 I II зонансе f (ангармонике или моде f )

I I 3 пье з орез онат ар а 2, а следовательно, за З5

I счет разности частот ьР =F-F, имеюн щейся в частотных сигналах с выходов смесителей 7 и 8, на выходе первого фазового детектора 15, на входы кото рого нагружены выходы первого 7 и второго 8 смесителей, наблюдаются биения и в зависимости от знака мгновенного напряжения, биений разность между частотами F„ F то повьппается, то понижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений. В результате этого на выходе первого фазового детектора образуется постоянная составляю- О щая напряжения биений, причем тем большая, чем меньше начальная расстройка частот дР„ частот Р и Р (асинхронный режим).

Постоянная составляющая с выхода фазового детектора 15 подается через первый фильтр нижних частот 17 на первый 19 и второй 20 усилители поУсловия Е, =1„, и f =fÄ, обес- 10 печиваются таким выбором основных

1 2 частот f u f двухчастотного автоз генератора 13 чтобы при T=T и F=F

При э Ром устанавливается постоянная разность фаз между частотами F и Р, поступающими на входы первого фазового детектора 15:

cos2, = — р"-, 1 Р (12а) . .У где ьР„ — полоса удержания системы

ФАПЧ.

При этом частоты Р и F. в синхрон. ном режиме не толька захватились и равны, но и пропорциональны только воздействующей на чувствительный эле. мент 1 силе F.

Действительно, учитывая, что начальная расстройка частот F,,è Р определяетсяоследующим образом: ь Р =(а,, -а, „) (F-F, )+ (а„ -а ) (Т-T, ), (i3) а напряжение Ч, на выходе первого фазового детектора 15 (14) ЧАЛА МЬР 1 основные частоты f u f fI и Е

1 Ф ,цвухчастотных автогенераторов 11 и 12

Сигналы с выходов усилителей 19 и 20 подаются на управляющие входы перво.го 11 и второго 12 управляемых напряжением двухчастотных кварцевых автогенераторов и снижают частоту биений на выходе первого фазового детектора 15, до нуля. Другими словами, в такой комбинированной системе

МЛЧ, какую представляет собой модуль ?4 разделения составляющих информационных сигналов, при любой фазе включения режим биений, благодаря зара-. нее известному выбору знака расстройки

hF частот Р, и Р, величин коэффициентов передачи усилителей 19 и 20, соответствующему изменению напряжений управлений и, следовательно, вы-. ходных разностных частот управляемых. двухчастотных автогенераторов, стано-. вится апериодическими и наступает захват частот F< и Р (синхронный режим) .

12329 (15) 5 (16) V))TED )) f =f +k дР () 2о ч()т2 н (17) 10 (18) Тогда лы Ер и

11 H

1р„=1„-Г„

+ г10

+(a,, - à„) (T- Т.)) (2О) 25 (25) F =f -f =F + (р ) о о а, а,-а ао2 ао «ао

If (22) Р =f -f =F + а Р2 о о о о а а „-а а о Я 22

kñ соответственно с учетом коэффициентов усиления усилителей 19 и 20 будут изменяться следующим образом:

Г выходные разностные сигнаЕр с выходов автогенерато12 примут следующий вид: — ((а -a )((-()+(а -a )(Т-T )); о )2 12 о 20 л) с С

При этом сигналы Р, и F с выходов смесителей 7 и 8 будут иметь следующий вид: о о 2 о 30 а а -а, а22(12 (21) Как видно из выражений (21) и (22) коэффициент чувствительности к силовым воздействиям в выходном сигнале (23) При дальнейшей работе преобразователя возникающая при изменении измеряемых F и Т дополнительная расс;трой) ка частот f< и f автогенератора 3 и, следовательно, частот первого 7 и второго 8 смесителей F H F приво2

PHT K ИЗМЕНЕНИЮ УРОВНЯ IIOCTOHHHOFO напряжения на выходе первого фазового детектора 15:

Ч,д (а „-а, ) (F-Р )+(а,,;а 2) (Т-Т ) (24) 55 и первого фильтра нижних частот 17.

Если при возможных экстремальных расхожденияхчастот Р„и F,, т.е. при

64 8 эР, определяемых диапазонами

Н Иакс воздействующих(измеряемых сил) и температур, расстройки hF,=2 (.„„, ьГ„„„„с в первый 11 и второй 12 автогене-: раторы, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то частотные сигналы с выходов первого и второго смесителей 7 и 8 всегда будут пропорциональны воздействующей на чувствительный элемент 1 силе F.

Поскольку фильтр 6 настроен на выделение одного из основных колебаний, Р а именно колебания f двухчастотного L автогенератора 12, то сигнал на его

-выходе в синхронном режиме работы первого модуля разделения составляющих информационных сигналов 24 можно представить" следующим образом: о о о

+,"(т-т ), или

Г =Е+а (Р-Р, )+аэ2 (Т-Т ). (26) Сигнал вида (26) с выхода фильтра

6 подается на первый вход третьего смесителя 9. Ка первый вход четвертого смесителя 10 подается сигнал (2), а именно

f =f), +a«(F-F, )+а (Т вЂ” Т. ) . (27) Тогда с учетом соотношений (6)-(8) частотные сигналы на выходах третьего

9 и четвертого смесителей 10 при воздействии на чувствительный элемент 1 текущих температуры Т и силы F примут вид

Fý Рэ +aç„(F-T„) +aэ (Т-Т, ); (28) F„=F„+a, (F-F, )+а (Т вЂ” То ) . (29) В результате разности частот

hF Р -F„, имеющейся на выходахтретьего 9 и четвертого 10 смесителей, на выходе второго фазового детектора 16, на входы которого нагружены выходы третьего и четвертого смесителей, наблюдаются биения и образуется постоянная составляющая напряжения биений (асинхронный режим). Постоянная составляющая с выхода второго фазового детектора 16 подается через второй фильтр 18 нижних частот на третий 21

1232964

l0 а31

2(а а !

Зт 11 (30) 5 (РЗ 3 3 РЗО 43

31 2! о

1!!То 2 (g -а" )

31 21 (31) 10

1 2 < 2! а4 а -а

3! (39) (40) !! о о о аа, а,-а!а ао

1 а -а

31 21 (41) (32) А н

1 (33) (34) f 2 =гг ), д г

3 зо v»3 F!

4 (35),3 .4 г . (36) оа а!, г аг Рг

4 4!! Т!ТТТа и четвертый усилители постоянного тока, коэффициенты усиления которых выбираются следующими:

Сигналы с выходов усилителей 21 и 22 подаются на управляющие входы третьего 13 и четвертого 14 управляе- мых напряжением двухчастотных кварцевых автогенераторов и снижают частоту биений на выходе второго фазового детектора 16 до нуля. Другими словами, в модуле 25 разделения составляющих информационных сигналов при любой фа— зе включения режим биений благодаря заранее известному выбору знака рас2 стройки г Г„частот F и FÄ, величин коэффициентов передачи усилителей

21 и 22, соответствующему изменению напряжений управлений, и, следовательно, выходных раэностных частот f

Рэ и 6р автогенераторов 13 и 14, станоР4 вится апериодическим и наступает захват частот Е и Р„ (синхронный режим).

При этом частоты F и F„ òðåòüåãî 9 и четвертого 10 смесителей не только захватываются и становятся равными, но и оказываются пропорциональными только воздействующей на чувствительный элемент 1 температуре Т.

Действительно, учитывая, что «а чальная расстройка частот Р и Р„ определяется следующим образом:!

3 Ä =(a, -а, ) (F — F, )+(а., -а, ) (Т-Т )„ а напряжение на выходе второго фазового детектора 18 пропорционально этой расстройке: основные частоты f» f, и f,,f, двухчастотных автогенератором 13 и 14 будут изменяться следующим образом:

Тогда выходные раэностные сигналы и Гр с выходов автогенераторов а3 .Р!!

13 и 14 примут следующий вид:

I(a С4 )F F ) T(a CT )(Т T )), (Зт) t (à „- а „) (F - F. ) + (a „- ц,г ) (Т - Т ) ) 15 (38)

C С

При этом сигналы Р, и Е, с выходов смесителей 9 и 10 будут иметь соответственно следующий вид: — = + " " " (- . ).

3 2 Р3 3 ао ао о

31 1! о о о о

Г =F -F =F + -!- — -а — — (7-1 а -а о 1

3! 11

Как видно из выражений (39) и (40) в предлагаемом устройстве, учитывая равенства (25) и (26):

30 а 21 (а1! а21 ), о агг

3! 2(а" -а ) > 31

11 12

Коэффициент чувствительности ). к температурным воздействиям имеет вид

Фо рм ул а и зо бр ет ен ия

Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий чувствительный элемент с пьезорезонатором, включенным в двухчастотный автогенератор, первый и второй фильтры, связанные входами с выходами двухчастотного автогенератора, а также первый и второй смесители, соединенные с первым фазовым детектором, связанным через первый фильтр нижних частот с входами первого и второго усилителей,,, зыходы которых через первый и второй автогенераторы связаны с вторыми входами первого и второго смесителей соответственно, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и повышения точности измерений, ll 1232964 в него введены второй фильтр нижних частот, третий ичетвертый автогенерато ры, третий и четвертый смесичели, второй фазовый детектор, третий фильтр и третий и четвертый усилители, причем третий и четвертый смесители связаны соответственно с первым и вторым входами второго фазового детектора, выход которого соеди— нен через второй фильтр нижних частот с входами третьего и четвертого усилителей, выходы которых через треl? тий и четвертый автогенераторы связаны с вторыми входами третьего и четвертого смесителей соответственно, при этом первые входы второго и четвертого смесителей соединены с выходом второго фильтра, первый вход первого смесителя связан с выходом первого фильтра, первый вход третьего смесителя через третий фильтр соеди10 нен с вторым выходом второго автогенератора, при этом все автогенераторы выполнены двухчастотными.

Составитель А. Пашков

Редактор Н. Егорова Техред 0.ГортваД . Корректор А. Ференц

Заказ 2758/41 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва Ж-35, Раушская наб., д. 4/5, Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4