Измерительное устройство для частотного пьезорезонансного датчика

 

О П И С А Н И Е >970265

ИЗОВРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Рвслублик (61) Дололиительиое к авт. сеид-ву— (5l)N. Кл.

6 01 R 27/26 (22)Заявлеио17.04.81 (2!) 3281095/18-21

Э. И. Арш, А. Т. Гречка и Л. В. Иищанин (72) Автори изобретеиия и

Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени государственный. университет им. 300-летия ц дйдинания...., — :., Украины с Россией (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОКСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГО

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНОГО ДАТЧИКА

Изобретение относится к резонансным измерениям с использованием пьезорезонансных датчиков и может быть применено для кварцевой толщинометрии, для исследования физических и химических свойств веществ, микроперемещений, микроконцентрации паров и газов, а также в аналоговых случаях, требующих высокой чувствительности средств измерений.

Известно устройство, содержащее измерительный кварцевый генератор, частота колебаний которого изменяется в соответствии с величиной пара, осажденного на частотный кварцевый пьезорезонансный датчик, генератор опорной частоты, смеситель, формирователь, сигнала разностной частоты и схему регистрации. В устройстве ис" польэован дополнительный генератор низкой частоты, позволяющий в схеме регистрации осуществлять работу счетчиков импульсного сигнала раэностной частоты и сравнение с заданным кодом, соответствующим требуемой толщине осажденного пара (1).

Недостатком устройства является сравнительно малая чувствительность по измеряемому параметру, так как она ограничивается конструктивными Qcoбенностями пьезорезонансного частот-. ного датчика и чувствительностью из"

1О мерительного преобразователя сигнала датчика в измерении частоты.

Известно устройство, содержащее два пвеэорезонансных частотных датчика, построенное по дифференциальной схеме и содержащее два автогенератора, являющиеся измерительными, формирователь сигнала разностной частоты и регистрирующее устройство. В рабочем соатоянии измеряемое воздействие изменяет частоты пьезорезонаторов в противоположные стороНы.

С выходов автогенераторов сигналы подаются на вход формирователя сигна"

3 97026 ла разностной частоты, а с его выхода снимают полезный сигнал. Подстройка частоты резонаторов производится с помощью подстроечного конденсатора, либо с помощью варикапа, управляемого от отдельного источника напряжения, причем как правило подстроенный элемент включается последовательно с пьезорезонансным датчиком 1 2)..

Недостатками устройства являются 10 высокие требования к идентичности конструктивных и электрических характеристик двух пьеэорезонансных частотных датчиков, работающих одновременно, усложнение настройки автогенераторов для обеспечения противоположных по частоте изменений сигналов датчиков, а также сравнитепьно низкая чувствительность.

Цель изобретения - повышение чув- 2в ствительности измерительного устройства для частотного пьезорезонансного датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее измери- 2 тельный автогенератор с пьезорезонансO ным датчиком, кварцевый автогенератор, опорной частоты и последовательно соединенные смеситель, первый частотный детектор и регистратор, причем первый выход измерительного и выход кварцевого автогенераторов подключены к входам смесителя, введены последовательно соединенные второй частотный детектор, аттенюатор, элемент за35 держки,а также управляемый усилитель с емкостной обратной связью,две разделительные Й -цепочки и разделительный кон-. денсатор, причем последний включен между выходом управляемого усилителя

40 и входом кварцевого автогенератора, а управляющий вход усилителя подключен через первую разделительную RLцепочку к выходу элемента задержки, который через вторую RL-цепочку подключен к входу кварцевого автогенера45 тора, вход второго частотного детектора соединен с вторым выходом измерительного автогенератора.

Причем частотозадающая цепь кварцевого .автогенератора выполнена в виде последовательно включенных кварцевого резонатора и варикапа, причем точка соединения кварцево -о резонатора и анода варикапа является входом кварцевого автогенератора.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

5 ф

Устройство содержит измерительный автогенератор 1 с пьезорезонансным датчиком, кварцевый автогенератор 2 опорной частоты, смеситель 3, первый частотный детектор 4, регистратор 5, второй частотный детектор 6, аттенюатор 7, элемент 8 задержки и усилитель 9 с емкостной обратной связью и управляемым резистором в цепи отрицательной обратной связи. Измерительный автогенератор в частотозадающей цепи содержит пьезорезонансный датчик 10 и подстроечный конденсатор

l1, соединенные последовательно. Автогенератор опорной частоты содержит в частотозадающей цепи .последовательно включенные пьезокварцевый резонатор 12 и варикап 13. Усилитель с емкостной обратной связью содержит управляемый резистор 14 в цепи отрицательной обратной связи, конденсато" ры 15 и 16 и усилитель 17, в совокупности образующие отрицательную емкость. Резисторы 18 и 19 катушки индуктивности 20 и 21 и конденсатор

22 являются элементами разделительных цепей.

Элемент задержки 8 включен между аттенюатором 7 и резисторами 18 и 19 обеих разделительных цепочек..Катушка индуктивности 21 первой разделительной цепочки соединена с управляющим электродом управляемого резистора 14 в цепи отрицательной обратной связи усилителя 17. Выход усилителя через разделительный конденсатор 22 соединен с катушкой индуктивности 20 второй разделительной цепочки, с обкладкой пьезокварцевого резонатора

12 автогенератора 2 и анодом варикапа 13.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Измеряемое воздействие изменяет частоту пьезорезонансного датчика

10, что приводит к изменению частоты генерируемых колебаний на выходе измерительного автогенератора 1. Смеситель 3 формирует сигнал разностной частоты и фиксирует это отклонение частоты по сравнению с частотой колебаний с выхода кварцевого автогенератора 2 опорной частоты. Сигнал подается на частотный детектор 4 и регистратор 5. Одновременно с этим величина отклонения частоты измерительного автогенератора определяется с помощью частотного детектора 6, сиг970265 формула изобретения

1. Измерительное устройство для частотного пьезорезонансного датчика, содержащее измерительный автогенера»

I5 тор с пьезорезонансным датчиком, кварцевый автогенератор опорной частоты и последовательно соединенные смеситель, первый частотный детектор и регистратор, причем первый выход

gII измерительного автогенератора и выход кварцевого автогенератора подключены к входам смесителя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него

25 введены последовательно соединенныЕ второй частотный детектор, аттенюатор, элемент задержки, а также управляемый усилитель с емкостной обратной связью, две разделительные

RL-цепочки и разделительный конденсатор, причем последний включен между выходом управляемого усилителя и входом кварцевого автогенератора, а управляющий вход усилителя подключен

35 через первую разделительную RL-цепочку к выходу элемента задержки, который через вторую RL-цепочку подклю" чен к входу кварцевого автогенератора, вход второго частотного детектора сое4О динен с вторым выходом измерительного автогенератора.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что частотозадающая цепь кварцевого автогенерато45 ра выполнена в виде последовательно включенных кварцевого резонатора и варикапа, причем точка соединения кварцевого резонатора и анода варикапа является входом кварцевого автоге50 нератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании М 1314305, кл. G Ol R 27/26, 1974.

2. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М., "Энергия", 1978, с. 120. нал с нагрузки которого через аттенюатор 7, элемент 8 задержки и разделительную цепочку 19 и 21 подается на управляющий электрод управляемого резистора 14 в цепи отрицательной обрат ной связи усилителя 17, что изменяет глубину отрицательной обратной связи усилителя, а значит и величину отрицательной емкости. Сигнал детектора 6 также подается через вторую разделительную цепочку 18 и 20 на катод варикапа 13 „ управляя величиной его емкости. Отрицательная емкость с последовательным разделительным конденсатором 22 подключена параллельно варикапу 13. Эти элементы определяют настройку частоты автогенератора 2. Отрицательная емкость уменьшает начальную величину суммарной емкости управляемых элементов, это способствует более резким изменениям частоты автогенератора 2 в процессе управления его частото", Режим работы устройства настраивается так, чтобы изменение емкости варикапа и реактивной емкости, включенных в колебательный контур автогенератора 2, вызывает изменение частоты генерируемых им колебаний в одну и ту же сторону, причем противоположную изменению частоты колебаний, генерируемых измерительным автогенератором. Все это приводит к тому, что величина фиксируемого разностного сигнала значительно возрастает. Таким образом, чувствительность устройства значительно увеличивается.

Элемент 8 задержки позволяет использовать динамические характеристики сигнала пьезорезонансного частотного датчика, что снижает погрешности, связанные с кратковременными флуктуациями частоты автогенераторов из-за внешних факторов.

Аттенюатор 7 необходим для согласования сигнала, управляющего варикапом и отрицательной емкостью, с рабочей частью резонансной характеристики пьезорезонансного резонатора, автогенератора 2 опорной частоты.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства применительно к кварцевой толщинометрии связана с повышением разрешающей способности - возможностью измерять более тонкие диэлектрические, полупроводниковые и проводящие пленки в процессе их нанесения при производстве интегральных микросхем.

Предлагаемое устройство может быть также применено в высокочувствительных дифференциальных автогенераторных измерителях с параметрическими датчиками.

970265

Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 8381/Я

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 и, Составитель В. Кашута

Редактор H. Гришанова Техред А.Бабинец Корректор H. Король