Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь

)ЪТм ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТ ЕТЕЛЬСТ 3484852/18-2309.08.8223.01.84. Бюл.В.Я.Баржин, А.Аолесник, В,Ф,Со(54)(57) ДИФФ ТЕЛЬНЫЙ АКУСТО ЗОВАТЕЛЬ, соде 1 йый генератор, ченный к его в тель, и мембра ЕНЦИАЛЬНЫИЕКТРОННЫЙ Пащий высокосилитель, поду первыйый датчик н ЗМЕРИ ЕОБРА астот дклю- меси- пове одя АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ц 5 И Н 04 й 17/00; Я. 01 . 1/1 ностных акустических волнах,ненный в виде пьезоэлектричеспластины, на противоположныхронах которой на одинаковом рнии от ее центра расположеныпротиволежащихвходных и парапротиволежащих выходных встречноштыревых преобразователей (ВШП 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повьппения чувствительностии точности измерений, он дополнительно содержит последовательновключенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выходгенератора соединен с входнымиВШП и вторыми входами первого итретьего смесителей, вторые входывторого и четвертого смесителейсоединены с соответствующими выхными ВШП, выход первого смесителсоединен с первым входом второгосмесителя, а выход четвертогос входом усилителя,Изобретение относится к радио- измерительной технике и может быть использовано в акустоэлектронных измерительных устройствах для изме рения давления, температуры и других величин.Известен дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий два пьезоэлектрических резонатора, схемы их возбуждения, усилители и формиро.0 ватель разностной частоты Г 11.Недостатком преобразователя является недостаточно высокая чувствительность и значительная погрешность при малых изменениях из меряемых величин.Наиболее близким техническим решением к изобретению является дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смеситель и мембранный датчик. на поверхностных акустиЧеских волнах ЛАГ, выполненный в виде пьезоэлектрической пластиНы, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от ее центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащихЗО выходных встречно-штыревых преобразователей ВШП). В этом устройстве ВШП соединены с усилит=лями так, что образуются 35 два автогенератора, выходы которых через буферные усилители соединены с входами смесителяПри воздействии на пластину акус. тического сигнала(при изменении . 4 О акустического давления) изменяется скорость и,цлина пути распространения ПАВ, изменяются частоты колебаний автогенераторов с ВШП и соответственно изменяется сигнал разностной частоты на выходе смесителя, Это устройство обладает повышенной линейностью характеристик преобразования акустического воздействия в частоту и малой чувствительностью по отношению к изменениям температуры, влажности и другим дестабилизирующим факторам 127 .Недостатками известного устройства является ограниченная чувствительность и высокая погрешность,55 особенно в области малых информационных воздействий. Его чувствительность зависит в первую очередь от величины времени задержки ПАВ. При малых информационных воздействиях длина 60 пути распространения ПАВ изменяется незначительно, и перестройка выходной частоты оказывается малой. Кроме того, в обоих автогенераторных кольцах неизбежно существуют флук- у 5 туации параметров, приводящие к по явлению нестабильности их основных частот и как следствие - к нестабильности разностной частоты. Медленные флуктуации параметров авто- генераторов, вызванные такими дест билизирующими факторами, как изменение температуры окружающей среды влажности и др. оказываются коррелированными, поскольку это влияние осуществляется через общую пьезоэлектрическую пластину, Быстрые же уходы их частот некоррелированы, так как они вызваны прежде всего естественными шумами в активных элементах обоих усилителей. Дифференциальный принцип построения устройства позволяет уменьшить влияние медленных флуктуаций. Быст рые же флуктуации не ослабляются. а наоборот увеличивают депрессию флуктуаций выходной частоты, что особенно нежелательно при быстром изменении информационного воздейст вия, например, при использовании измерительного преобразователя в качестве приемника акустических сигналов. Кратковременная относительная неСтабильность частот обои автогенераторов определяет пороговую чувствительность измерительного преобразователя и без применения специальнЫх мер по стабилиза ции составляет 1 10 - 5 10 , Например, для частот возбуждения порядка 80 МГц, абсолютные значения уходов частоты составляют 400 800 Гц, что и обуславливает низкую пороговую чувствительность известного устройства и большую погрешность измерений, особенно при малых информационных воздействиях.Цель изобретения - повышение чувствительности дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразователя и точности измерений.Поставленная цель достигается тем, что дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, усилитель, подключенный к его выходу первый смесительи мембранный датчик на ПАВ, выполненный в виде пьезоэлектрическойпластины, на противоположных сторо- нах которой на Одинаковом расстоянии от ее центра расположены парапротиволежащих входных и пара противолежащих выходных ВШП, дополнительно содержчт последовательновключенные второй, третий и четвертый смесители, при этом выход генератора соединен с входными ВШПи вторыми входами первого и третьего смесителей, вторые входы второ 10691 92Противолежащие ВШП 5,6 и 7,8 расположены на одинаковом расстоянии от центра пластины 3. ЬШП 5,7 и 6,8 образуют две линии задержки ПАВ. 35Устройство работает следующим образом.Сигнал с частотой Юо с высокочастотного генератора 1 поступает на мембранный датчик 2 и одновремен но к входным ВШП 5,6 и к входам смесителей 9 и 11. Электрические колебания, поступающие на ВШП 5,6 преобразуются в распространяющиеся на верхней и на нижней сторонах мембра 45 ны в обеих линиях задержки одновременно. С выходных ВШП 7 и 8 колебания поступают на входы смесителей 10 и 12 соответственно, Включенные кольцом смесители 9 - 12 и усилитель 13 представляют собой автоколебательную систему, в которой при выполнении условий баланса фаз и балан. са амплитуд возникают автоколебания, частота которых на выходе усилителя 13 равна (вс . При отсутствии ин 55 формационного акустического сигнала времена задержек ПАВ на верхней и нижней сторонах мембраны 4 при идентичных структурах РШП одинаксвы и равны ;=К(ч , где 1 - рас стояние ие.кду входным и выходным ВОЙ,а Ч - скорость распространения ПАВ,Задержанные на время ь сигналы с частотой, равной частоте высокочастотного генератора а)но сдвинутые по 65 го и четвертого смесителей соединены с соответствующими выходными ВШП, выход первого смесителя соеди- нен с первым входом второго смесителя, а выход четвертого - с входом усилителя.На фиг. 1 приведена функциональна схема предлагаемого измерительного преобразователя, на фиг.2 конструкция мембранного датчика.Измерительный преобразователь содержит высокочастотный генератор 1 и мембранный датчик 2, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины 3, имеющей утоньшение-мембрану 4. На обеих сторонах мембраны 4 расположены соответственно два входных 5, б и два выходных 7, 8 ВШП. Входные ВШП 5 и б подключены к высокочастотному генератору 1. Измерительный преобразователь содержит также последовательно соединенные четыре смесителя 9-12 и усилитель 13. Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9 и третьего 11 смесителей, Вторые входы второго смесителя 10 и четвертого 12 соединены с выходными ВШП 8 и 7 соответственно. Выход усилителя 13 соединен с первым входом первого смесителя 9,1015202530 Фазе относительно него на величину д 1" подаются на смесители 11 и 10.На входы смесителя 9 поступают сигналы с частотами д и ;аа где дд - частота колебаний сигнала, поступающ го на второй вход смесителя 9 с выхода усилителя 13, На выходе смесителя 9 выделяется сигнал суммарной частоты й), Ы,. На выходе второго смесителя 10 формируется колебание с разностной частотой и поступает на первый вход треть его смесителя 11. На второй вход третьего смесителя 11 поступает колебание с выхода генератора 1, На выходе третьего смесителя выцеляется колебание с разностной частотой ь.0-;д которое поступает на вход четвертого смесителя 12. На второй вход четвертого смесителя 12 поступает колебание с выходного ВШП. На выходе четвертого смесителя формируется колебание с суммарной частотой Ыс,-а 1,+,д, =,д, При прохождении в усилителе 13 коле. бания усиливаются и задерживаются на время , . Лля данного режима работы рассматриваемого измерительного преобразователя характерным является то, что частота авто- колебаний а)а должна быть больше, чем частота колебаний генератора ,и и усилитель 13 может быть как инвертируемь;и, так и неинвертируемым. Воз.юрген другой режим работы предлагае лго устройства, при котором д .В динамическом режиме, т. е. при воздействии информационного сигнала мембрана испытывает механические деформации, что приводит к изменении геометрии ВШП и к изменению пути распространения ПАВ, Это приводит кпротивофазному изменению времени задержки сигнала, распространяющегося по верхней и нижней сторонам. При этом приращения длин пути распространения ПАВ л Е на верхней и нижней сторонах мембраны одинаковы, то противоположны по знаку, изменения времен задержки высокочастотного сигнала также одинаковы и противоположны по знаку и составляют величину " л ь 1, , В то же время колебания с ВШП 7 и 8 поступают на входы смесителей 10 и 12, которые в процессе преобразования вносят Фазовые сдвиги щ)ь +1 1 . Следовательно в кольцевой автоколебательной системе, .образованной последователь - ным соединением смесителей 9-12 и усилителя 13 произойдет изменение суммарного азового набега на величину= 2 ь Ь . Изменение суммарного фазового сдвига приводит к. нарушению условия баланса Фаз на частоте до что ведет к изменениюЗаказ 11495/57 Тираж б 35 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Иосква, Ж, Раушская наб д, 4/5 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 частоты автоколебаний кольцевойсистемы, Новая частота Мз определя-ется из условия баланса фаз.Таким образом, при воздействиина измерительный преобразовательинформационного сигнала изменяетсясуммарный фазовый набег в кольцевой автоколебательной системе, состоящей из смесителей 9 - 12 и усилителя 13, и,следовательно, изменяется частота автоколебаний этой цепи,При этом линейное изменение д при,водит к линейному изменению выходной .частоты преобразователя,Особенностью предлагаемого устройства является то, что его выходная частота при идентичных смесителях практически не зависит от частоты высокочастотного генератора Ыо , а, следовательно, и от его нестабильности. Кроме того, воздействие всех дестабилизирующих факторов на мембрану приводит к одинаковйм по величине и знаку изменениям задержки ПАВ на ее верхней и нижней сторонах, а за счет противофазного сЛЪЖения фазовые сдвиги, обусловленные изменением этих задержек, компенсируются в кольцевой автоколебательной системе. Эти обстоятельства позволяют существенно повысить ,чувствительность измерительного пре. обраэователя и точность измерений информационного сигналаПредлагаемый измерительный преобразователь.по частоте 80 ИГц при10с и относительной не стабильности частоты 10более чем в 600 раэ ,чувствительней известного преобразователя в случае, если усилитель является инвертирующим и чувствительней более чем в 300 раз, 5 если усилитель является неинвертирующим. Иинимальное фиксируемое информационное приращение адекватно определяют среднеквадратическую погрешность измерения. Поэтому можно погрешность преобразования в предложенном устройстве во столько же раэ меньше, по сравнению с известным,Таким образом, предлагаемое 5 устройство обладает более высокой чувствительностью и точностью по сравнению с известными измерительными преобразователями. 1 ф 7