Пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения силы и температуры. Цель изоб-; ретения - повышение точности. Введение фильтра 6 разностной частоты и подключение его выхода к опорным входам преобразователей 7 и 8 частота - код а также выбор информационных частот позволяют устранить погрешность устр-на, обусловленную неидеальной фильтрацией близко расположенных информационных частот, имеющихся на выходе автогенератора 3. Можно без потерь точности проводить усреднение в преобразователях 7 и 8 частота - код на малом времени, что увеличивает быстродействие устр-ва. 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (S1) 4 С 01. Ч. 1/16, С 01 К 7/32

1 (в.1 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ.(21) 3856833/24-10 (22) 14.12.84 (46) 07.10.86. Бюл. N 37 (72) Ф.Ф, Колпаков, В.А. Писарев, В.А. Шевелев, В.Ф. Солодовник, В.Г. Тимошенко и А.А. Андреев (53) 531.781:536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 451927, кл. G 01 Ь 1/16, 1973.

Авторское свидетельство СССР

Ф 998874, кл. G 01 L 1/16, 1981. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измеI рения силы и температуры. Цель изобретения — повышение точности, Введение фильтра 6 разностной частоты и подключение его выхода к опорным входам преобразователей 7 и 8 частота — код, а также выбор информационных частот позволяют устранить погрешность устр-ва, обусловленную неидеальной фильтрацией близко расположенных информационных частот, имеющихся на выходе автогенератора 3.

Можно без потерь точности проводить усреднение в преобразователях 7 и 8 частота — код на малом времени, что увеличивает быстродействие устр-ва.

4 ил.

12б2Ю7

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения силы и температуры, а также других приводимых к ним физических величин.

Цель изобретения — повышение точ-. ности, На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 спектр частот кварцевого резонатора

LC-среза вблизи основной частоты; на фиг. 3 — вид температурно-частотной характеристики основного и интенсивных ангармонических колебаний .кварцевого резонатора; на фиг. 4,процесс расфильтровки информационных частот °

Устройство (фиг. 1) содержит упругий элемент l с кварцевым пьезорезонатором 2, подключенным к автогенератору 3, работающему в трехчастотном режиме и фильтры 4-6. Выход генератора 3 через фильтры 4 и 5, первый из которых настроен на основную частоту резонатора f, (11я), а второй — на ангармонику f> (f: 1, ), свя зал с измерительными входами преобразователей 7 и 8 частота — код.

Кроме того, выход автогенератора 3 через фильтр б, настроенный на раэностную частоту f11 между основной частотой резонатора и ангармоникой

f (е „„), связан с входами опорного сигнала преобразователей 7 и 8 частота - код, а их Вь1ходы подключены к входам Вычислительного блока 9, связанного с блоком !О памяти.

Устройство работает следующим образом.

В качестве чувствительного элемента в устройстве используется кварцевый резонатор 2 1.С-среза, обладающий линейными температурно-частотными и сило-частотными характеристиками. Резонаторы этого типа, как и резонаторы AT-среза, У-среза и т.д„, принадлежат к пьеэорезонаторам с локализацией толщино-сдвиговых колебаний. Как и резонаторы AT-среза„ кварцевые резонаторы LC-среза õàрактеризуются помимо основного колебания сдвига по толщине целым рядом побочных резонансов — ангармоник.

Спектральные характеристики резонаторов LC-среза имеют такой же вид, как и спектральные характеристики резонаторов AT-среза.

Кварцевые резонаторы LC-среза, как и резонаторы AT-среза, являются

5

35 мул ьтимодО ВМГВ1 (м?10 ГОмОдО Вы ми ) с инченсивними ангармониче .кими мода— ми.

Известно, что по сравнению с температурно-частотной характеристикой (ТЧХ) на основной моде колебаний

f11„ T×Õ ангармонических модах для резонатора AT-среза имеют тот же вид, но повернуты на определенный угол по часовой стрелке. Проведенные измерения ТЧХ на основном колебании и ангармониках кварцевых резонаторов

LC-среза с помощью прецизионного термостата ТНР-1Р показали, что ТЧХ ангармонических колебаний также поворачиваются относительно ТЧХ на основном колебании по часовой стрелке (фиг.3) и имеют, как и основное колебание, линейные ТЧХ. При этом, если основное колебание f11< и ближайшие ангармоники f „ и f, имеют положительный знак коэффициента, температурной чувствительности, то ангармон ческие моды f,, f<,I5 и т.д. частоты которых превышают в

1,2 раза частоту основного колебания, имеют уже отрицательный коэффициент температурной чувствительности. Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с MHHHMBJIbHbIM динамическим сопротивлением R, всего лишь

В 3-5 раз большим R на основном ко3 лебании), имеющим отрицательный коэффициент температурной чувствительности, является колебание f

1<5 частоты которого для различных резонаторов в 1,22-1,24 раза превышают частоту основного колебания.

Имеется практическая возможность получать для плосковыпуклых и двояковыпуклых линзовых кварцевых резонаторов AT-среза выбором соответствующей геометрии пьезоэлемента как требуемый разнос между основным и ангармоническими резонансами, так и требуемые добротности основного и ангармонических резонансов путем изменения геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора.

Экспериментальные исследования для резонаторов этого типа показали также воэможность раздельной подстройки частот основного и ангармонических колебаний путем допыления материала электрода или снятия части егО, Такие же .Возможности имеются и для плосковыпуклых резонаторов

LC-среза.

1262307 счета в измерительной системе; текущие значения параметров силы 25

P, I и температуры соответственно; коэффициенты силовой чувствительности; коэффициенты температурной а 1$ ф а q) а

30 а gg a zg a чувствительности.

Поскольку в устройстве используется пьезорезонатор LC-среза и, следовательно, выходной сигнал авто" генератора 3 содержит две близко расположенные частоты Х1(fÄ,), Е (Е„) и значительно отнесенную от них частоту f1(Е<, ), а также низкочастотное 40 колебание частоты Е,=Е -Е, (фиг.4), то в качестве информационных .частот выбраны частоты f, fz u fp. Колебания частот fp u f достаточно хорошо выделяются простыми фильтрами

5 и 6 с невысокими избирательными свойствами, так как частоты f> и

Ер значительно удалены от частот

f и Ег . К фильтру 4 также не предъявляются высокие требования по избирательности, поскольку двухчастотный сигнал с его выхода, обусловленный близко расположенными частотами Е„ и f с амплитудами

А, и Аг соответственно (Az/А, с1), усредняется преобразователем часто! та - код на периоде .T-= к ол е6 ания

Ер

Таким образом, 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.

В пьезоэлектрическом преобразователе многочастотный автогенератор

3 возбуждается на трех некратных частотах f (fI„), f (f „) и f (f < ), зависящих от измеряемых силы P u температуры Т следующим образом:

f =Е< +a„,P+a, Т; 1,5 где Ею, Ег, f zo — значения частот в реперной точке, которая слу- 20 жит началом отчастоты Е =Е - f<, так как на опорный вход преобразователя 7 частотакод поступает колебание с фильтра

6 раэностной частоты fо . Следовательно, погрешность преобразования эа счет наличия двухчастотного сигнала на входе преобразователя 7 частота — код отсутствует.

Таким образам, введение фильтра

6 разностной частоты и подключение его выхода к опорным входам преобразователей 7 и 8 частота — код, а также выбор в качестве информационных частот Е1, Ер и f позволяют устранить погрешность устройства, обусловленную неидеальной фильтрацией близко расположенных информационных частот f, и Е, имеющихся на выходе автогенератора 3. С другой стороны, снижаются требования к избирательным свойствам фильтров

4 — 6, а следовательно, уменьшаются затраты на их изготовление и упрощается устройство в целом. Кроме того, можно беэ потери точности.проводить усреднение в преобразователях

7 и 8 частота - код на малом времени

Т-" —, что увеличивает быстродейfP ствие устройства.

Таким образом на выходах фильтров

4 — 6, настроенных соответственно на основную частоту резонатора Е1, разностную частоту f и на ангарP монику f, действуют сигналы вида

Ер =Е„-Е +(а -а )P+

+(aгг-а«)Т;

Е =f» +ам Р+а зг Т.

Сигналы f, и f. поступают на информационные входы преобразователей

7 и 8 частота — код соответственно, а сигнал fP — на входы опорной частоты обоих преобразователей. На выходе преобразователей 7 и 8 форми" руются цифровые коды у,. и у, пропорциональные отношения поданных частот f, /f и Е /Ер, зависящие от измеряемых йараметров P и Т следующим образом:.

f

Ега Е10 +(a«а i )Р+(az2 -a«)T

Е» +а Р+а Т

Еzo f 1o + (аг -а я ) Р+ (а„-а„) Т

Коды у, и у поступают на вычислительный блок 9, связанный с бло3 1262 ком 10 памяти, который решает систему уравнений относительно искомых параметров P и Т.

Сравнивая выражения, определяющие величину относительной погреш5 ности параметров P в зависимости от относительных уходов коэффициентов чувствиТельности и начальных частот для известного и предлагаемо-. го устройств можно сделать, вывод., no в предлагаемом устройстве погрешность меньше. Это обусловлено тем, что относительные уходы начальных значений частот в устройстве сильно коррелированы между собой, так как колебания возбуждаются в одном резонаторе, а в известном устройстве относительные уходы частот опорного генератора не коррелированы с относительными ухода- 2О ми измеряемых частот, что и вызьгвает увеличение погрешности преобразования частоты в код, а следовательно, и вычисления параметра P.

Кроме того, использование в 25 предлагаемом устройстве моды кварцевого резонатора с отрицательным коэффициентом температурной чувствительности fI< приводит к улучшению

- обусловленности матрицы преобразования и, в конечном счете, к повышению точности определения Р и Т.

Кроме того, предлагаемое устройство благодаря устранению опорного генератора, который вместе с систе35 мой термостатирования представляет достаточно сложное устройство, иМеет преимущества: снижается энергопотребление, габариты, масса и стоимость; время готовности предлагаемого устройства с момента включения практически равно нулю, а в известном устройстве оно определяется временем вьгкода. на режим термостата и опорного генератора, 307 которое может достигать нескольких минут и более.

Технические преимущества предлагаемого устройства н сравнении с известным заключаются в возможности обеспечения более высокой точности измерения температуры и силы в упрощении устройства, снижении веса,габаритон, энергопотребления, в снижении готовности устройства к работе с момента запуска, н упрощении устройст-. ва н целом.

Повышаются точности измерения силы и температуры, так как в предлагаемом устройстве устранена погрешность преобразонания частоты в код, возникающая за счет неидеальной расфильтровки сигналов антогенератора, а также снижена погрешность вычисления параметров силы и температуры, возникающая за счет некоррелированных относительных уходов начальных частот автогенератора — датчика и опорного генератора, вызванных неинформативными факторами.

Фар мул а изобретени я

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий кварцевый резонатор, закрепленный на упругом элементе и подключенный к антогенератору, каждый из двух выходов которого соединен с соответствующим входом вычислительного блока с помощью последовательно соединенных фильтра и преобразователя частота — код, при этом вычислительный блок связан с блоком памяти, о т л и ч а ю щ и и ся тем, что, с целью повышения точности, в него введен фильтр раз»опт»ой частоты, входом связанный с выходом автогенератора, а выходом— с входами опорного сигнала преобразователей частота — коц.

1262307 т &zan

171 gag Ът

6 б

q7uz4

Составитель А. Экономов

Редактор А. Шишкина Техред Л.Олейник Корректор В. Бутяга

Заказ 5412/37 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород ул. Проектная, 4