Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерений. С высокочастотного генератора 1 колебание поступает на измерительный преобразо-г ватель 2. Электрические колебания во встречно-штыревых преобразователях 5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся в мембране 4, а во встречно-штыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование. При воздействии давления и температуры мембрана 4 испытывает механические и

СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (11) (51) 4 G0.1 К 7/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,3

) ",, /

Н А STOPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3850637/24-!О (22) 28.01.85 (46) 07,12,86. Бюл. В 45 (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е,Жуковского (72) А.А,Зеленский, Ф.Ф.Колпаков, Е,С,Колесник и К.В.Скульский (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 777482, кл. G 01 К 7/32, 1980.

Заявка Р 3618529/10, кл. G 01 К 7/32, приоритет 11.07.83, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства В 1177957. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить точность измерений. С высокочастотного генератора 1 колебание поступает на измерительный преобразо-. ватель 2. Электрические колебания во встречно-штыревых преобразователях

5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся в мембране 4, а во встречно-штыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование. При возI действии давления и температуры мембрана 4 испытывает механические и

12 температурные деформации, что приво- дит к изменению пути распространения поверхностей акустической волны в линиях 19 и 20 задержки, нанесенный на обе стороны мембраны 4, и к изменению частот автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходах усилителей 13 и 18. В результате изменяются фазовые сдвиги в ли75231 ниях 19 и 20 задержек и частота автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходе усилителя 25, По изменению частоты колебаний на выходе усилителя 18 судят об изменении измеряемой температуры, а по изменению частоты колебаний на выходе усилителя 25 определяют изменение измеряемого давления. l ил.

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и может быть использовано в акустоэлектронных измерительных устройствах в качестве двухпараметровых датчиков для одновременного измерения давления и температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная схема дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразователя, Устройство содержит высокочастотный генератор и измерительный преобраз оват ель 2, выполненный в зиде пьезоэлектрической пластины 3 с мембраной 4 по центру. На обеих сторонах мембраны 4 нанесены по,цве пары встречно-штыревых преобразователей, причем противолежащие ВШП 5 и 6 являются входными, а встречно-штыревые преобразователи ВШП 7 и 8 зыходными. Входные встречно-штыревые преобразователи 5 и 6 подключены к высокочастотному генератору l Устройство содержит также последо зательно соединенные четыре смесителя 9-12 и усилитель 13, выход которого подключен к первому входу первого смесителя 9, последовательно соединенные четыре смесителя 14-17 и второй усилитель 18, выход которого подключен к первому входу пятого смесителя 14, две линии 19 и 20 задержки и последовательно соединенные четыре смесителя 21-24 и третий усилитель-25, выход которого подключен к первому входу девятого 21 смеси5

40 теля. Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9, третьего 11> пятого 14 и седьмого 16 смесителей, Вторые входы второго 10 и шестого 15 смесителей соединены с выходным 8 встречно-штыревым преобразователем, а вторые входы четвертого 12 и восьмого

17 смесителей соединены с выходным

7 встречно-штыревым преобразователем.

Выход первого усилителя 13 соединен непосредственно с вторым входом девятого 21 и через первую линию 19 задержки с .вторым входом десятого 22 смесителей. Выход второго усилителя

18 соединен непосредственно с вторым входом двенадцатого 24 и через вторую линию 20 задержки с вторым входом одиннадцатого 23 смесителей, Смесители 9 — 12, 14 — 17 и 21 — 24 выполнены однополосными. На выходах смесителей выделяют колебания либо суммарной, либо разностной частоты путем использования в них фильтровых или фазокомпенсационных узлов подавления нежелательных колебаний.

Причем первый 9, второй 10, четвертый 12, шестой 15, восьмой 17, десятый 22 и двенадцатый 24 выполнены вычитающими — на их выходах выделяют колебания разностных частот; тре тий 11, пятый 14, седьмой 16, девятый 21 и одиннадцатый 23 выполнены суммирующими — на их выходах выделяют колебания суммарных частот, Противолежащие ВШП 5, 6 и 7, 8 расположены на одинаковом расстоянии от центра пластины 3, ВШП 5, 7 и 6, 8

l образуют две линии задержки на поверхностных акустических волнах.

1275231 4

Устройство работает следующим об25 (1) !

Щ=ьдр d q дср+,.

И,=-М14dvk-dq Ъ, (2.) h P — фазовый набег, обусловлен З0

Г ный силовым воздействием измеряемого давления на мембрану;

ДЧ фазовый набег, обусловленный расширением мембраны д5 при температурном воздействии

dig — фазовый набег, обусловлен1 ный вспучиванием (изгибом) при температурном воздей- 40 ствии. где

При воздействии давления и температурыы мембрана 4 ис пытыв ае т механические и температурные деформации 45 одновременно, что приводит к изменению ее геометрии, и, следовательно, к изменению пути f распространения поверхностной акустической волны в линиях задержки. При этом приращения 50 длин пути дУ распространения поверхностной акустической волны, обуслов-" ленные воздействием давления P на верхней и нижней сторонах мембраны 4 одинаковы по абсолютной величине,но 55 .противоположныпо знаку и,соответственно изменения времени задержки сигнала в линиях задержки одинаковы,но разом, С высокочастотного генератора t колебание с частотой поступает на измерительный преобразователь 2, 5

Электрические колебания в входных встречно-штыревых преобразователей

5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся на верхней и нижней сторонах мембраны 4 в обеих линиях задержки, одновременно. В выходных встречноштыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование поверхностной акустической волны в 15 электрические колебания. При номинальных значениях силового воздействия и температуры колебания выделяемые на выходных встречно-штыревых преобразователях 7 и 3 сдвинуты на фазу по отношению к колебаниям,прикладываемым к входным встречно-штыревых преобразователей 5 и 6 соответственно на величины противоположны по знаку и составляют величину е, г ч г где V — скорость распространения по верхностной акустической волны, Это обуславливает равные по величине,но — Чр = — " о" р фаз колебаний, снимаемых с выходных

7 и 8 встречно-штыревых преобразователей. B то же время температурные воздействия вызывают как расширение (сжатие), так и вспучивание (изгиб) мембраны 4, а также отклонение скорости распространения hVy поверхностно-акустической волны. Деформация расширения — сжатия и отклонение скорости распространения поверхностной акустической волны обуславливают равные по величине и по знаку отклонения времени задержки сигнала ьь в обеих линиях задержки, В силу этого температурные отклонения d g фаэ колебаний, снимаемых с выходных 7 и 8 встречно-штыревых преобразователей равны по величине и одинаковы по знаку. Кроме того проI исходит также отклонение фаз й( колебаний на выходных 7 и 8 встречноштыревых преобразователей, обусловленные термическим вспучиванием (изгибом) мембраны 4 при жестком закреп.лении ее в корпусе или при градиентах температуры вдоль ее поверхности.Эти отклонения также как и.при воздействии давления, равны по величине, но противоположны по знаку по верхней и нижней сторонах мембраны.

С выхода генератора 1 колебание с частотой Й и начальной фазой ( поступает также на вторые входы смесителей 9, 11, 14 и 16. В то же время колебание, снимаемое с выходного

7 встречно-штыревого преобразователя и сдвинутое по фазе на величину hP< (выражение (1) ) относительно колебания на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 12 и

1 7, а колебание, снимаемое с выходного 8 встречно-штыревого преобразователя и сдвинутое по фазе на величину д р (выражение (2)) относительно колебания на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 10 и 15, Включенные в кольцевое соединение смесители 9-12 и первый усилитель 13 представляют собой автогенераторный измерительный преобразователь, в котором про% 12752 исходят следующие преобразования сигналов, поступающих на вторые входы смесителей 9-1?.. В стационарном режиме при выполнении условий баланса. фаз и амплитуд в автогенераторном

5 измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальная фаза которого на выходе усилителя 13 равны соответственно й, (11 и (((, . Колебание с выхода усилите- 10 ля 13 поступает на первый вхэд первого смесителя 9, на выходе которого выделяется колебание с разностной частотой f — fä, и начальной фазой (— gä, . Это колебание поступает на первый вход второго смесителя,на второй вход которого поступает колебание с выходного 8 встречно-штыревого преобразователя с частотой f и фазовым сдвигом (11, 4 й(!

На выходе второго 10 смесителя вьщеляется колебание с разностной часто,той fî (fî f, ) fà

I вым сдвигом (с, ац1, =q - 1q -1 д(11 -л(р(25 которое поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого поступает колебание с частот1эй Й, и начальной фазой (!1 с выхода генератора На выходе третьего 11 смесителя вьделяется колебание с суммарной частотой f + fcI, и фазовым сдвигом Ча1 ь((о = Ча, >(I o (I a-(I(I <+ 4g, ! которое поступает на первый вход чет— вертого 12 смесителя, на второй вход 35 которого поступает колебание с выходного 7 встречно-штыревого преобразователя, На выходе четвертого смесителя вьделяется колебание с разностной частотой (Й + f, ) — f„ и фазовым сдвигом.(р +л(-ьу,=у, — 2ь(11 - 2 11(11

Следовательно, колебание на выходе четвертого смесителя 12 имеет ту же частоту f, что и колебание на перI вом входе первого смесителя 9 и сдви1 нуто по фазе на величину — 2MII — 2a(p р .Ь по отношению к колебанию на первом входе первого смесителя 9. Цепочка последовательно включенных смесителей -12 представляет собой цепь обратЪ 50 ной связи первого усилителя I3 в первом автогенераторном измерительном преобразоватЕле. При достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя

13 выполняется условие баланса ампли-55 туд в первом автогенераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе первого усилителя

31 Ь на основании условия баланса фаэ равна

1 шХ+ 2ьц +»(!((3)

" Зэ(где m = 1„ 3, 5,... при инвертировании сигнала в цепи, состоящей из последовательно включенчых блоков 9 — 13, и

m = 2, 4, 6. .. при отсутствии инвертирования сигнала в цепи, состоящей из последовательно

1включенных блоков 9 — 13;

/ время запаздывания сигнала в

ЗЭ1 первом усилителе 13, Включенные в кольцевое соединение смесители 14 — 17 и второй усилитель

18 представляют собой второй автогенераторный измерительный преобразователь, в котором происходят следующие преобразования сигналов, поступающие на вторые входы смесителей 14

17. В стационарном режиме при выполнении условий баланса фаз и амплитуд во втором автогенераторном измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальная фаза которого на выходе усилителя 18 соответственно равны fä и (, Ко 2 лебание с выхода усилителя 18 поступает на первый вход пятого смесителя

14„ на второй вход которого поступает колебание с выхода генератора 1 с частотой f и начальной фазой Ц1„.

На выходе пятого смесителя 14 выделяется колебание с суммарной частотой fo + f<, и начальной фазой (+ ,+(!1О .Это колебание поступает на первый вход шестого смесителя 15, на оz второй вход которого поступает колебание с выходного 8 встречно-штырево-о преобразователя с частотой Е и фазовым сдвигом р w а((1 . Ha выходе шестого 15 смесителя выделяется колебание с разностной частотой (f +f )0

fg и фаз ОВым сдВКГОм (д ЛЧЕЬ аг (Po +6(II (1(!I g + 5(II g р кОтОРОе пО ступает йа первый вход седьмого смесителя 16, на второй вход которого поступает колебание с частотой f> и начальной фазой (1э с выхода генератора 1. На выходе седьмого смесителя 16 выделяется колебание с суммарной частотой f, + fo и фазовым сДВКГОм (! - (+-Цг P +б{ — },(11 + Pq+qо, которое поступает на первый вход восьмого 17 смесителя. На второй вход смесителя 17 поступает

7 1275231 колебание с выходного 7 встречно-HITbr- л ревого преобразователя с частотой Е + и начальной фазой Ч +h(p, . На выхо- Э де смесителя 17 выделяется колебание в с разностной частотой (fa + f ) — f = 5 р

Йа2 и фазОВым сдВигом Ц а «ь(ф 6Q — д

= (ga -Zing<, Следовательно колебание и на выходе восьмого смесителя 17 име- и ет ту же частоту fa, что и колебание г аг на нервом входе пятого смесителя 14 10 л и сдвинуто по фазе на величину -2Ag< т по отношению к колебанию на первом н входе пятого смесителя 14, Цепочка + последовательно включенных смесителей г l4 — 17 представляет собой цепь об- 15 п ратной .связи второго усилителя 18 во с, втором автогенераторном измерительном г преобразователе. При достаточно высо- к ком коэффициенте усиления усилителя о

18 выполняется условие баланса амп- 20 литуд во втором АИП и частота коле- и баний на Выходе второго усилителя 18 2 на основании условия баланса фаз т равна н фаз равна

nn + 2Qcgq

f (4) а2 2 с где n = 1 3, 5... » при инвертировании сигнала в цепи, состоящей из последовательно включенных ЗО блоков 14 — 18 и п = 2, 4, 6,... при отсутствии инвертирования сигнала в цепи— состоящей из последовательно включенных блоков 14 — 18; — время запаздывания сигнала во

2 втором усилителе 18.

Включенные в кольцевое соединение смесители 21 — 24 и третий усилитель

25 представляют собой третий автоге- 40 нераторный измерительный преобразователь, в котором происходят следующие преобразования сигналов, поступающие на вторые входы смесителей

21 — 24. В стационарном режиме при 45 выполнении условий баланса фаз и амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе существует .автоколебание, частота и начальная фаза которого на выходе усилите- 50 ля 25 соответственно равны fa и (pa . Колебание с выхода усилйтеля

25 поступает на первый вход девятого

21 смесителя, на второй вход которого поступает колебание с выхода 55 первого усилителя 13 с частотой Г,„

01 и начальной фазой 9a, . На выходе девятого смесителя 21 вьщеляется коебание с суммарной частотой fц а1 и начальной фазой (ра, + ра то колебание поступает на первый ход десятого 22 смесителя, на втоой вход которого через линию 19 заержки поступает колебание с выхода ервого усилителя 13 с частотой fo, фазовым сдвигом Cpa + 2нйс1 де 6, — время задержки сигнала в инни 19 задержки. На выходе десяого 22 смесителя выделяется колебаие с разностной частотой (Еа + а1

Г, ) — f o, = f o и фазовым сдвиом (Pa — 2 йа <, которое постуС3 1 ает на первый вход одиннадцатого месителя 23, на второй вход котороо через линию 20 задержки поступает олебание с выхода второго усилителя

8 с частотой fa и фазовым сдвигом ца + 2 fa, где — время заа а2 ь аздывания сигнала во второй линии

0 задержки. На выходе одиннадцаого смесителя 23 выделяется колебаие с суммарной частотой Кп + ЕО и

z фазовым сдвигом ц> +(pа 2;, 2 а Оz

-2,,, которое поступает на первый вход двенадцатого смесителя

24, На второй вход смесителя 24 поступает колебание с выхода второго усилителя 18 с частотой fö и фазовым сдвигом cpa ° На выходе смесиz теля 24 выделяется колебание с разHOCTHOH ЧЯСтотОЙ (Га + га ) — Гц = и фазовым сдвйгом y»gi (j э а 3 az x — 1О,,), Следовательно, колебание на выходе двенадцатого смесителя 24 имеет ту же частоту fa, что и колебание на первом входе девятого смесителя 21 и сдвинуто по фазе на величину 2Т (fo c, — fo ) по отношению к колебанию на первом входе девятого смесителя 21 ° Цепочка по1 следовательно включенных смесителей

21 — 24 представляет собой цепь обратной связи третьего усилителя 25 в третьем автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя 25 выполняется условие баланса амплитуд в третьем авто генераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе третьего усилителя 25 на основании условия баланса

1275231

10 где К = 1, 3, 5,... при инвертиро-.. вании сигнала в цепи, состоящей из последовательно включенных блоков 21 — 25, и

K = 2, 4, 6,... при отсутствии инвертирования сигнала в цепи состоящей из последователь.Ф но включенных блоков 21 — 25; Ь вЂ” время запаздывания сигнала в третьем усилителе 25. 1О !

Фазовые сдвиги ЬЮ< и Лp+ предста1щяются в следующем виде: (6) 15!

ay<= с а, где С вЂ” фазовый коэффициент термо6 чувствительности поверхностной акустической волны линии задержки; !

С вЂ” фазовый температурный коэффициент силочувствителько сти поверхностной акустической волны линии задержки; 5 приращение температуры.

При выборе значения времени запаздывания сигнала ь в первой линии задержки 19 в соответствии с условием

30 Ч 2 ь Зэ! ""e 2 39<

К "эз Сь " зэ частота колебаний на выходе третьего усилителя на основании выражений (3), (4) и (5) определяется в виде

20

К 1 (Ш21 11 С

f + )+ (М э ъ 2! 3g ">ээ 2! qy "- ъэ

1 Ь Р ь! р(< зээ

Параметры k m. и, ь ., С и С в процессе измерений э остаются фиксированными и их значения при известных структуре поверхностной акустической волны линии задержек, 45 нанесенных на мембрану 4, и конструкции усилителей 13, 18 и 26 могут быть установлены. В силу этого частота колебаний на выходе второго усилите1ля 18, как следует иэ выражения (4), зависит только от значения измеряемой температуры. Частота колебаний на выходе третьего усилителя из выражения (8), при этом зависит только от значения-измеряемого давления. 55

В динамическом режиме изменения информационных параметров — температуры и давления — вызывает изменение фазовьгх сдвигов (выражения (1) и (2) в поверхностной акустической волне в линиях 19 и 20 задержек, нанесенных на обе стороны мембраны 4)и приводит следовательно к изменению частот автоколебаний в первом и втором автогекераторном измерительном преобразователе на выходах соответственно первого 13 и второго 18 усилителей, Это приводит к изменению фазовых сдвигов в первой 19 и второй 20 линиях задержек и в конечном итоге к изменению частоты автоколебаний в третьем автогенераторном измерительном преобразова-. теле на выходе третьего 25 усилителя. В силу того, что параметры К, г / л! и\ ° и! эз 13 1 "зэк ь С, и С не зависят от величины измеряемых параметров (температуры и давления, воздействующих на мембрану 4 по изменению частоты колебаний ка вйходе второго усилителя 18 судят об изменении измеряемой температуры,а по изменению частоты колебаний на выходе третьего усилителя 25 определяют изменение измеряемого давления.

Формул а и з о о р е т е н и я

Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый смесители и усилитель, выходом подключенный к первому входу первого, а входом — к выхсду четвертого сме= сителя, последовательно соединенкые пятый, шестой, седьмой и восьмой смесители и второй усилитель, выходом подключенный к первому входу пятого, а входом — к выходу восьмого смесителя, а также мембранный датчик на поверхностных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных встречно-штыревых преобразователей, выход генератора соединен с входными встречно-штыревыми преобразователями и с вторыми входами первого, третьего, пятого и седьмого смесителей,вторые входы второго и шесто-4

Составитель Ю Клецко

Техред Л.Олейник Корректор E,Ñèðoõì í

Редактор Н.Марголина

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6550/30

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

12752 го смесителей подключены к первому вы ходному встречно-штыревому преобразователю, а вторые входы четвертого и восьмого смесителей — к второму вы-ходному встречно-штыревому преобразователю, причем четвертый, пятый и седьмой смесители выполнены суммирующими, а второй, шестой и восьмой — вычитающими, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью пОвышения точности измерений, в него введены две линии задержки и последовательно соединенные девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый смесители и третий усилитель, выхо31 12 дом подключенный к первому входу девятого, а входом — к выходу двенадцатого смесителя, при этом первый, десятый и двенадцатый смесители выполнены вычитающими, а третий, девятый и одиннадцатый — суммирующими, выход первого усилителя подключен к второму входу девятого смесителя и через первую линию задержки к второму входу десятого смесителя, а выход второго усилителя подключен к второму входу двенадцатого и через втоочю линию задержки к второму входу одиннадцатого смесителя.