Способ определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей

 

(it}998978

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

»» н

Г-;» г г (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27. 06. 80 (21) 2947335/18-21

Р1 М К„з с присоединением заявки ¹

G 01 R 27/28

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23,0283, Бюллетень № (33) УДК 537.228. .1(и88.8) Дата опубликования описания 23.02.83 (72) Автор . изобретения

Н.A.Åðìîëàåâ ф», " *%o в

k, фъ и» дов аИейьекогд,,". -»;* тро@,лещ

Пензенский филиал Всесоюзного научно-исс технологического института прибор (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕИ

10!

25

ЗО

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано. для экспериментального определения динамических характеристик, например переходной характеристики, аМплитудно и фазочастотных характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей, применяеьых в пьезорезонансных датчиках, в управ-. ляемых кварцевых автогенераторах, а также в измерителях эквивалентных электрических параметров пьезорезонаторов и т.д.

Известен способ определения динамических характеристик измерительных преобразователей, основанный на подаче на вход измерительного преобразователя известного испытательноrо сигнала и регистрации выходного сигнала преобразователя, по которому судят об искомой динамической характеристике испытуемого преобразователя 1).

Недостатком этого способа явля-, ется сложность технической реализации, обусловленная необходимостью формирования испытательного сигнала с известными и неизменными в течение времени испытаний параметрами.

Известен также способ экспериментального определения динамических характеристик измерительных преобразователей, основанный на сопоставлении входного и выходного сигналов испытуемого преобразователя, причем выходной сигнал преобразователя перед сопоставлением подвергают. частотному детектированию 21.

Недостатком данного способа является невысокая точность определения динамических характеристик- пьезорезонансных измерительных преобразователей. Действительно, при определении, например, переходной характеристики измерительного преобразователя частоты последовательного резонанса пьеэореэонаторов, выполненного в виде автогенератора, частота выходных колебаний которого стабилизируется пьезорезонатором, согласно известному способу создают скачок частоты последовательного резонанса пьеэорезонатора путем, например, переноса последнего из одного термостата в другой с различными температурами термостатирования. а затем сопоставляют известное значение разницы температур термостатов с полученным путем частотного детектиро998978 валия изменением частоты выходных колебаний испытуемого преобразователя.

Однако, как видно на этом примере, с помощью известного способа определяют не искомую переходную харак,теристику пьезореэонансного измери1 ельного преобразователя, а суммарную переходную характеристику, включающую в себя также переходную характеристику термочувствительности пьезореэонатора. Поскольку постоянная тепловой инерции пьеэорезонаторов весьма велика(порядка нескольких десятков секунд), то определение динамических характеристик пьеэорезонансных измери"5 тельных преобразователей известным способом связано с существенными погрешностями.

Кроме того, применение известного способа обусловливает физическое не- Щ электрическое воздействие испытательным сигналом на пьеэорезонатор. Так как формирование испытательных сигналов определенной формы незлектрической (например, тепловой, механи- 2Я ческой) природы сложнее получения электрических испытательных сигналов, то известный способ определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразо- щ вателей весьма сложен s технической реализации.

Целью изобретения является повышение точности и упрощение способа . определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных, 3. преобразователей.

Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу определения динамических характеристик пьезоре— эонансных измерительных преобразо- О вателей, заключакщемуся в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходного сигналов испытуемого преобразователя, изменяют по закону изменения испытательного сигнала уровень возбуждения, например амплитуду колебаний пьезорезонатора, выходной сигнал испытуемого преобразователя подвергают амплитудному детектированию, 5Î а результат амплитудного детектирования сопоставляют с результатом частотного детектирования. Наиболее просто предлагаежгй способ может быть реализован при определении динамических характеристик пьеэореэонансных измерительных преобразователей, снабженных устройствами автоматической регулировки уровня возбуждения пьеэорезонаторов. 60

На чертеже приведена функциональная электрическая схема измерений по дредлагаемому способу на примере определении амплитудно- и фаэочастотных характеристик измерительного 65 преобразователя частоты последов ательного резонанса пьезореэон аторов . устройство, реализующее способ, содержит испытуемлй преобразователь

1, выполненый, например по схеме автогенератора на операционном усилителе 2, охваченный положительной (пьезорезонатор 3 и резистор 4) и отрицательной (резистор 5 и управляемый резистор 6 ) обратными связями, с цепью автоматической регулировки уровня (АРУ) возбуждения (амплитуды напряжения) пьезорезонатора 3, составлянщий иэ усилителя 7, выпрямителя 8, источника 9 опорного напряже ния и сумматора 10, на:.вход которого подается испытательный сигнал 0 частотный 11 и амплитудный 12 детекторы выходного напряжения J испыЬЫХ. туемого преобразователя 1 и блок 13 сопоставления результата амплитудного детектирования с результатом частотного детектирования.

Для определения амплитудно- и фаэочастотных характеристик испытуемого преобразователя 1 на вход сумматора .10 подается испытательный сигнал в виде переменного гармонического напряжения

Ц=01ОС059,4 (1) с постоянной амплитудой U = СОИ5 и изменяющейся частотой Я. = МО . Цепь

АРУ обеспечивает изменение амплитуды напряжения на выходе операционного усилителя 2 по закону ()то "

ЪО=К202о=К1К О рСОэ(Я + андрэ), (3)

Крр где К = — -,й - соответственр,„рр йр 4 т но сопротивления пьезореэонатора 3 и резистора 4.

Вследствие эффекта неизохронности, т.е. зависимости частоты колебаний пьезореэонатора 3 от амплитуды колебаний, частота последовательного резонанса И)эн пьезорезонатора 3 в первом приближении будет определяться выражением

ЮЬХ= аЪ(1+КъОЪО) = (4)

О " "1" КЪ 4оСб (1 +9 р ) ) где Шо- частота последовательного резонанса невозмущенного (при

О) пьеэорезонатора 3; К вЂ” коэффициент неизохронности .

Таким образом, входной сигнал испытуемого преобразователя 1, кото998978 рым яв л яет с я ч аст от а последов а тел ьного резонанса(I)8> пьеэорезонатора 3, будет изменяться по закон изменения испытательного сигнала (1) .

Считая, что динамические свойства преобразователя 1 проявляются в изменении глубины и фазы модуляции частоты выходных колебаний g), nðåобразователя 1 относительно глубины и фазы модуляции (13 ), для выходного напряжения U@b > опер.ционного усили10 теля 2 и, следов ательно, испытуемого преобразователя 1 получим выражениЕ

U bw - U o Cot msbix t, (5 ) в котором tJ определяется выражением (2), а 15

®Ьых = o1" Ì(5? ) 1()(()„, сов

$9 ?.+Ч„ ЧЧ(?Ю, где K(R), Щ(Я.) — соответственно ампли- ;д тудно-частотная и фазочастотная характеристика испытуемого преобразователя 1.

Подвергая 0 1)(амплитудному и частотному детектированию, получим 25 оответственно на выходе амплитуд— ного 12 и частотного 11 детекторов

1напряжения

UA4 )(A4" " О б ®(+" даЧ 1Д4), (7 )

Зо

Uq*=)(„ä K(C? ) K„KU, соз )R<+(1Apy (R)49„$ где КА, ʄ— коэффициенты передачи, а ф44, q — сдвиги Фаэ соответственно амплитудйого 12 и частотного 11 детекторов.

Таким образом, на выходе. амплитудного детектора 12 получим напряжение (7), пропорциональное изменению входного сигнала ШВх (4), а на выходе 40 частотного детектора 11 — напря..кение (8), пропорциональное изменению частоты выходных колебаний 02у(б) испытуемого преобразователя 1.

Выполнив. блок 13 сопротивления 45 выходных напряжений частотного и амплитудного детекторов 11 и 12 в виде измерителя отношения амплитуд напряжений Цеди Ц4 получим на выходе блока 13.сигнал () (?,прямо пропорцио- 50 нальный искомой величине К испытуемого преобразователя 1

)(®)к (ъ (4 <4 чакткъ

Для определения фазочастотной ха- 60 рактеристики(о?) испытуемого преобразователя 1 блок 13 сопротивления .выходных напряжений частотного 11 и амплитудного 12 детекторов необходимо выполнить в виде фаэометра, по-, g5 казание Q (g) кототоро будет в этом случае пропорционально разности фаз напряжений (3 4 (3) и ()44(7) . () Ч (Я) - 5@ ?. АРЧ М+ 1Ч41 Q +(АРЧ+ АДЯ 1 где К вЂ” коэффициент передачи фаэо5 метра.

При выполнении равенстваф р фдад (что нетрудно выполнить на практике) показания блока 13 — фаэометра будут

° пропорциональны значениям искомой фазочастотной характеристики (((Я.) испытуемого преобразователя 1

U 4 (Q ) ) 5 1(?). (111

Аналогично описанному могут быть определены и другие динамические характеристики преобразователя 1. В частности, для определения переходной характеристики необ.содимо лишь вместо напряжения U„(1) подать на вход сумматора 10 скачок постоянного напряжения, а в .качестве блока 13 использовать двухлучевой осциллограф.

Очевидно, что изменение уровня возбуждения пьезьреэонатора 3 по закону изменения Испытательного сигнала в пьеэореэонансных измерительных преобразователях на основе автогенераторов с АРУ (подобных описанному выше) возможно и другими из- вестными методами, например путем модуляции испытательным сигналом выходного напряжения .источнйка 9 опорного напря>кения. В пьеэореэонансных измерительных преобразователях на основе автогенераторов без АРУ изме, нение уровня возбуждения пьеэарезона горов по закону изменения испытательного сигнала возможно, например, путем изменения по этому закону напряжения питания активного элемента автогенератора.

Таким образом, в предлагаемом способе изменение уровня возбуждения пьеэорезонаторов по закону изменения испытательного сигнала позволяет исключить влияние динамических свойств пьезорезонаторов на результат измерения, а введение операции амплитудного детектирования выходного напряжения испытуемого преобразователя позволяет исключить влияние на результат. сопоставления входного и выходного сигналов преобразователя динамических свойств це- пи АРУ (последнее падтверждается отсутствием в конечных выражениях (9) и (11) параметров цепи АРУ К.. и (А Ч,тем самым существенно повышается точность определения динамических.характеристик пьеэореэонансных измерительных преобразователей.

Возможность использования в пред лагаемом способе электрических испытательных сигналов вместо сигналов

998978

Формула изобретения

Составитель С. Морозов

Редактор В. Иванова Техред К.Мыцьо Корректор В. Бутяга

Заказ 1149/68 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 неэлектрической природы в известных способах существенно упрощает определение динамических характеристик пьеэореэонансных измерительных преобразов ателей.

Способ определения динамических характеристик пьезорезонансных из- 10 мерительных преобразователей, заключающийся в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходного сигналов испытуемого преобразователя, о т л и ч а ю,— 15 шийся. тем, что, с целью повышения точности и упрощения, изменяют по закону изменения испытательного сигнала уровень возбуждения, например амплитуду колебаний пьеэорезонатора, выходной сигнал испытуемого преобразователя подвергают амплитуд-. ному детектированию, а результат амплитудного детектирования сопостав— ляют с результатом частотного детектирования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Широков К.П. и др. Основные понятия теории динамических иэмере— ний. — "Измерительная техника", 1975, 9 12 с. 12.

2. Кончаловский Ю.В., и др. Элекгрические измерительные преобразователи. N. "Энергия", 1967, с. 264265, 267-268.