Устройство контроля параметров кварцевых кристаллических пластин

 

Относится к области радиоизмерительной техники для активного контроля частоты последовательного резонанса и динамического сопротивления кварцевых кристаллических пластин и пьезоэлементов во время проведения технологических операций их изготовления, контроля и применения. Устройство контроля параметров кварцевых кристаллических пластин содержит двухкаскадный усилитель на двух транзисторах 1 и 2, включенных по схеме с общим эмиттером, с цепью положительной обратной связи между коллектором транзистора 2 и базой транзистора 1, измерительный узел 14, включающий подвижный измерительный электрод 16, выполненный в виде подвешенного над опорой 19 для размещения исследуемых кварцевых пластин стержня из магнито-твердого материала, измеритель уровня сигнала 15, соединенный с измерительным электродом 16, блок автоматического регулирования усиления 22, к сигнальному входу которого подключен коллектор транзистора 1, а выход подключен к точке соединения конденсатора 24 и регулирующего диода 23, которые включены в коллекторную цепь транзистора 2, частотомер 25 и колебательный контур, состоящий из индуктивности 8 и конденсатора 9, включенные в коллекторную цепь транзистора 2, опорный вход блока автоматического регулирования усиления предназначен для подачи опорного напряжения U_оп. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники для активного контроля частоты последовательного резонанса и динамического сопротивления кварцевых кристаллических пластин и пьезоэлементов во время проведения технологических операций их изготовления, контроля и применения.

По технической сущности и назначению из числа известных аналогов наиболее близким является устройство контроля резонансной частоты кристаллических элементов [1] которое содержит усилитель, частотомер и измерительный узел, включающий в себя подвижный, встроенный в притир станка, измерительный электрод, расположенный над связанной с корпусом, опорой (вторым притиром) для размещения обрабатываемых кварцевых кристаллических пластин. Устройство высокопроизводительно и обеспечивает повышенную помехозащищенность активного контроля резонансной частоты обрабатываемых элементов.

К недостаткам известного устройства следует отнести неизбежные погрешности кинематических связей в узле измерения: люфты, перекосы в пределах допусков на изготовление и сборку, увеличивающиеся в процессе эксплуатации. Эти систематические ошибки, определяемые неперпендикулярностью размещения измерительного электрода на поверхности опоры, вносят заметную погрешность в результат измерений. На точность измерений влияет то, что измерительный электрод жестко укреплен в притире и не имеет возможности самоустанавливаться без зазора на поверхности исследуемой пластины.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности измерений действительных значений параметров назначения кварцевых кристаллических пластин: резонансной частоты и динамического сопротивления.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном устройстве контроля параметров кварцевых кристаллических пластин, содержащем усилитель, частотомер и измерительный узел, включающий в себя подвижный измерительный электрод, расположенный над связанной с корпусом опорой для размещения исследуемых пластин, согласно изобретению, усилитель выполнен двухкаскадным на двух транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, с цепью положительной обратной связи между коллектором транзистора второго усилительного каскада и базой транзистора первого усилительного каскада, в него дополнительно введен измеритель уровня сигнала, соединенный с измерительным электродом, который выполнен в виде подвешенного стержня из магнито-твердого материала, и блок автоматического регулирования усиления, сигнальный вход которого подключен к коллектору транзистора первого усилительного каскада, опорный вход к опорному напряжению, а выход подключен к точке соединения конденсатора и регулирующего диода, которые включены в коллекторную цепь транзистора второго усилительного каскада, содержащую колебательный контур и частотомер, причем измерительный узел подключен параллельно резистору в цепи эмиттера транзистора первого усилительного каскада.

Выполнение измерительного электрода в виде подвешенного стержнеобразного постоянного магнита обеспечивает устойчивую взаимоперпендикулярность с поверхностью исследуемой пластины только его продольной намагниченностью даже когда вектор центра масс электрода выходит за площадь опоры. Сила магнитного притяжения выбрана много больно силы тяжести электрода, Отличительные признаки позволяют за счет пространственно свободной подвески измерительного электрода и магнитного взаимодействия его с опорным столом без дополнительных механизмов и ориентиров гарантированно устанавливать измерительный электрод нормально поверхности исследуемой кварцевой пластины чем погрешность измерения свести до минимума.

Предложенные отличия принципиально упростили конструкцию измерительного узла и обеспечили его функциональную надежность.

Сущность изобретения поясняется чертежами: где изображено: на фиг. 1 - схема устройства; на фиг. 2 измерительный узел.

Устройство содержит два усилительных каскада, собранных на транзисторах 1 и 2, каждый из которых включен по схеме с общим эмиттером. Рабочая точка транзистора 1 и транзистора 2 определяется базовым смещением, заданным делителями: резистор 3 резистор 4 и резистор 5 резистор 6, соответственно. В коллекторную цепь транзистора 1 включен резистор 7, а транзистора 2 - колебательный контур: индуктивность 8 конденсатор 9, шунтируемый резистором 10. Резистор 11 в цепи эмиттера транзистора 2 шунтирован конденсатором 12. Параллельно резистору 13 в цепи эмиттера транзистора 1 подключены измерительный узел 14 кварцевых пластин и измеритель 15 уровня сигнала (индикатор динамического сопротивления). Величина сопротивления резистора 13 выбрана большей величины динамического сопротивления исследуемых пластин.

Измерительный узел 14 (фиг. 2) содержит измерительный электрод 16, выполненный в виде стержнеобразного постоянного магнита, подвешенного на проводе со штекером (припаян), на противоположном торце которого смонтирован контактный твердосплавный элемент 17. Магнит 16 помещен внутри рукоятки 18. Вторым электродом узла 14 служит заземленный, связанный с корпусом устройства, предметный стол 19, на котором помещаются исследуемые кварцевые пластины. Измерительный электрод 16 подключен параллельно резистору 13 в цепи эмиттера транзистора 1 (фиг. 1).

Усилительные каскады 1 и 2 связаны между собой разделительным конденсатором 21 и положительной обратной связью. Цепь положительной обратной связи включена через конденсатор 20 между коллектором транзистора 2 второго усилительного каскада с базой транзистора 1 первого усилительного каскада.

Коллектор транзистора 1 подключен к сигнальному входу блока автоматического регулирования усиления (АРУ), опорный вход к опорному напряжению U_оп, а выход подключен к точке соединения регулирующего диода 23 и конденсатора 24, которые включены в коллекторную цепь транзистора 2. Коллекторная цепь транзистора 2 содержит индуктивность 8 и конденсатор 9 (колебательный контур) и частотомер 25.

Работает устройство следующим образом. После подачи питающего напряжения E_п в схеме автоматически устанавливается статический режим, определяемый базовыми делителями резистор 3 резистор 4 и резистор 5 - резистор 6 и эмиттерными резисторами 13 и 11. В этот момент коэффициент усиления меньше 1 генератор не возбуждается.

Затем измерительный электрод 16, который имеет три степени свободы в пространстве, перемещается вдоль расположенных на предметном столе 19 кварцевых кристаллических пластин, поочередно устанавливаясь на их поверхности без зазора. Электрод 16 самоустанавливается нормально поверхности исследуемой пластины, без зазора между контактными плоскостями элемента 17 и кварцевой пластины, под действием сил магнитного поля.

После установки измерительного электрода 16 на поверхности кварцевой пластины в схеме на частоте последовательного резонанса возникает переходный процесс, который изменяет ток транзистора 1 и напряжение на коллекторе транзистора 2, которое, поступая на базу транзистора 1 по цепи положительной обратной связи, поддерживает колебательный процесс. При этом происходит шунтирование резистора 13 динамическим сопротивлением исследуемой кварцевой пластина, значение которого меньше значения сопротивления резистора 13 (из условия последовательного резонанса) генератор возбуждается.

Напряжение генерируемого сигнала с коллектора транзистора 1 в блоке 22 сравнивается с опорным напряжением U_оп. Результирующий сигнал с блока 22 АРУ поступает на регулирующий диод 23, который, меняя свое внутреннее сопротивление, изменяет величину комплексного сопротивления в коллекторной цепи транзистора 2, тем самым регулирует коэффициент усиления каскада на транзисторе 2 до тех пор, пока напряжение сигнала на коллекторе транзистора 1 станет равным заданному опорным напряжением U_оп.

В результате переменная составляющая тока транзистора 1 остается неизменной и падение напряжения на исследуемой кварцевой пластине становится прямо пропорциональным его динамическому сопротивлению, что измеряется индикатором 15. Измеряемая индикатором 15 величина сигнала прямо характеризует величину динамического сопротивления кварцевой пластины и при использовании обычного аналого-цифрового преобразователя возможно получить цифровой отсчет величины динамического сопротивления с высокой точностью.

Далее в результате изменения параметров колебательного контура (индуктивность 8 конденсатор 9) фиксируется минимальное показание индикатора 15, что соответствует значению динамического сопротивления на частоте последовательного резонанса исследуемой кварцевой кристаллической пластины, которая измеряется частотомером 25.

Затем за рукоятку 18 электрод 16 переносится к следующей пластине на столе 19, где процесс измерения повторяется без потери времени на вспомогательные операции. При массовом исследовании кварцевых пластин для исключения их абразивного действия на контактную поверхность измерительного электрода 16, требующего периодических перешлифовок, на торце магнита смонтирован предохраняющий твердосплавный элемент 17.

Предложенное выполнение измерительного устройства является универсальным и может быть использовано в различных схемах приборов и разнообразных технологических процессах изготовления, контроля качества и применения кварцевых кристаллических элементов.

Изобретение упрощает конструкцию измерительного узла, принципиальную схему устройства и сам процесс контроля параметров назначения кварцевых пластин, измеряя их действительные значения во время обработки.

Формула изобретения

Устройство контроля параметров кварцевых кристаллических пластин, содержащее усилитель, частотомер и измерительный узел, включающий в себя подвижный измерительный электрод, расположенный над связанной с корпусом опорой для размещения исследуемых пластин, отличающееся тем, что усилитель выполнен двухкаскадным на двух транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, с цепью положительной обратной связи между коллектором транзистора второго усилительного каскада и базой транзистора первого усилительного каскада, в него дополнительно введены измеритель уровня сигнала, соединенный с измерительным электродом, который выполнен в виде подвешенного стержня из магнитно-твердого материала, и блок автоматического регулирования усиления, сигнальный вход которого подключен к коллектору транзистора первого усилительного каскада, опорный вход к опорному напряжению, а выход подключен к точке соединения конденсатора и регулирующего диода, которые включены в коллекторную цепь транзистора второго усилительного каскада, содержащую колебательный контур и частотомер, причем измерительный узел подключен параллельно резистору в цепи эмиттера транзистора первого усилительного каскада.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2