Датчик перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХЮИЦМЛЬНесмипРЕСПУБЛИК1 В 7 00 3(50 ФОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕЛЬСТВУ КОМУ А) В, . Мил ) Ха ацио го ) 62 ави ско (53(56) 1.9 72797 ,(прототи ГОСУДАРС.ПЗЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 9761482/18-2804 8212.83. Бюл. Р 46Я.Баржив, Ф.Ф.Колпаков,кевич и А.Е.Сычевьковский ордена Ленинаный институт им, Н.Е.Жуков-.(54)(57) ДАТЧИК ПЕРЕМЕц(ЕНИИ по авт. "св. В 727976, о т л и. ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повиаения точности измерений и одновременного .измерения температуры, он снабжен включенными соответственно меж ду. выходом электронного возбудителя, суммирукщим и вычитающим входами .регистратора последовательно соединенными полосовым фильтром и усилителем высокой частоты и фильт ром низких частот и вторым усилителем высокой частоты, а электронный возбудитель выполнен в виде ,двухчастотного автогенератора,с60 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений и температуры.По основному авт. св. 9 727976известен датчик перемещений, содержащий пьезоэлемент с двумя электродами, включенными в схему электронного возбудителя и регистратор,причем один из электродов жесткозакреплен на пьезоэлементе и выполнен переменной толщины, а второйэлектрод установлен с возможностьюперемецений вдоль поверхности пьезоэлемента Г 1 3.Недостаток известного устройствасостоит в Независимости измерениятемпературы и невысокой точностиизмерения перемещений из-за малойкрутизны преобразования перемещение-частота и суцественной температурной погрешности.Цель изобретения - повышение точности измерений и одновременное измерение температуры.уанна цель достгеся тем, что датчик перемещения снабжен включенными соответственно между выходом электронного. возбудителя, суммируюцим и вычитающим входами регистратора последовательно соединенными полосовым фильтром и усилителем высокой З 0 частоты, и фильтром низких частот и вторым усилителем высокой частоты, а электронный возбудитель выполнен в виде двухчастотного автогененатора.На фиг. 1 представлена Функцио"; 35 нальная схема датчика перемещений; на фиг. 2 - спектр колебаний, получаемых на выходе автогенератора, на фиг. 3 - принцип формирования ха" рактеристики преобразования пере мецение-частота датчика перемещений.Датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, электроды 2 и 3 которо го включены к входам электронного возбудителя 4, причем электрод.2 жестко закреплен на пьезоэлементе 1 и выполнен переменной толщины, в данном случае имеет Форму ступеньки, а электрод 3 установлен с возможностью первмецения вдоль поверхности пьезоэлемента 1.Датчик перемещений снабжен вклю ченными соответственно мЕжду выходом электронного двухчастотного автогенератора 4 исуммирующим 55 и вычитающим входами регистратора 5 последовательно соединенными полосовым фильтром 6, и усилителем 7 высокой частоты и фильтром 8 низких частот и вторым усилителем 9 высокой частоты, а электронный воз- будитель ,выполнен в виде двухчастотного автогенератора 4.Устройство работает следующим образом. 65 В исходном состоянии подвижный электрод 3 пьезоэлемента 1 установлен так, чтобы его плоскостьсимметрии проходила вдоль плоскости раздела неподвижного электрода 2 на две разнотолщинные части одинаковой формы и площади.В пьезоэлементе 1 возникают дваангармонических колебания, причемвследствие эффекта захвата.энергии, энергия одного из них в основном сосредоточена между электродом3 и перекрывающейся с ним частьюэлектрода 2 меньшей толщины (частота и 1, а энергия второго сосредоточена в основном между электродами 3 и перекрывающейся с нимболее . толстой частью электрода 2(частота м,1 . Разность между час.тотами ш и и 2 определяется раз 1ностью масс вышеупомянутых разнотолщинных частей электрода 2, перекрывающихся площадью подвижного электрода 3, т,е. находящихся вактивных зонах каждого из колебаний.Поскольку обеспечивающий одновременно генерацию колебаний с частотами ии о двухчастотный автогенератор 4 содержит активный нелинейный элемент - транзистор, то в спектре выходного сигнала этого генератора присутствуют составляющие с частотами вол+ пм, где т 1 и и- целые числа. При этом максимальные амплитуды имеют составляющие спектра выходного сигнала с разностной частотой м= м - о 1 Ииг. 2 и с суммарной частатой ос- и 1+ 2 ф которые можно легко выделить с помоцью фильтра 8 низких частот и по-, лосового фильтра б соответственно. Далее усиленные с помощью усилителей 7 и 9 высокой частоты сигналы разностной и суммарной частот поступают на входы регистратора 5.Так как в исходном состоянии перемещение д 8 = О, подвижный. элект. род 3 пьезоэлемента 1 установлен симметрично относительно границы раздела электрода 2 на две разнотолщинные части, то при отклонении элек трода 3 вправо увеличивается масса электрода 2 в активной зоне колебаний с резонансной частотой ог и эта частота уменьшается по величине фиг. 3, в то же время уменьшается масса электрода 2 в активной зоне колебаний с резонансной частотой м, которая соответственно растет (фиг. 3 ), т.е. частоты ыи ы при изменении величины перемецени 1 изменяются в противоположные стороны. аналогичная картина наблюдается при отклонении подвижного электрода 3 влево, когда частоты Оз 1 и ш движутся по шкале частот навстречу друг другу фиг, 3). В результате приЗаказ 10024/41 Тираж бВНИИПИ Государпо делам изо113035, Москва,Подписитета СССРрытийнаб д. твенногО кретений и-35, Раушс иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,одинаковых отклонениях + д И электрода 3 относительно своего исходногоположения в датчике перемещений полу чим в два раза большее, чем в известном, абсолютное отклонение( ашР = дш + Лш 1 информационной разностной частоты. мр. А относительное отклонение частоты информационного сигнала вша/ шр при этом может быть в десятки и сотни раз больше, чем в известном, т,е. 10 на один-два порядка вырастет крутиз на, а значит и точность преобразо" ваиия перемещение-частота. Причем изменением соотношения толщин разно толщинных частей электрода 2 в про цессе реализации пьезоэлектрической колебательной системы крутизну можно регулировать довыбирать ) в широ- ких пределах, и эффективность этой регулировки также в десятки раз выше, чем в прототипе.Что касается суммарной частоты Ыс , выделяемой на выходе полосового фильтра б, то вариации величины перемещения подвижного электрода 3 не вызывают ее изменения, поскольку частоты м)и ы 2 вследствие симметричности пьезоэлектрической колебательной системы относительно исходного положения электрода 3 получают одинаковые по величине и проти" воположнйе по знаку приращения. В то же время при изменении температуры Т окружающей среды частотыш 1 и ш 2 получают приращения, одинаковые по знаку и близкие по вели" 35 чине, поскольку температурно-частотные характеристики для обоих колебаний оказываются практически одинаковыми, так как области этих однотипных колебаний существуют в одном и том же монокристалле пьезоэлектрика, а частоты колебаний дос-таточно близки друг другу. Очевидно,что при этих условиях температурныеприращения частот ш и ш 2 практи 1чески не влияют на величйну разност.ной частоты шд, которая несет информацию о перемещениях, а .значитне влияют эти приращения на точность определения перемещений, Температурные приращения частот ш 1 иьо 2 определяют только лишь изменения суммарной частоты ш = ш + ы 2что и позволяет разделить ийформацию о перемещениях и о температуре. В результате на разностныйвход регистратора 5 поступает. ревностная частота иР, изменения которой соответствуют вариациям пере.мещения +д 0 электрода 3 пьезоэлектрической колебательной системы, а на суммирующий вход регистратора 5 поступает суммарная частота ьо, изменения которой несутинформацию о вариациях температуры Т среды, в которую помещенаэта пьезоэлектрическая колебательная система.,Таким образом, предлагаемыйдатчик перемещений позволит использовать его для измерения микроперемещений, а также благодарявозможности одновременного измерения температуры, значительнорасширит его функциональные возможности