Ультразвуковое устройство для измерения физических величин

" 1 т 094 ПИСАНИЕ ИЗСБРЕТЕНИ 1 4 ЗИЩд" ВТ РСКО ВИДЕТЕЛ ЬСТВ ВОД ИЧИН укопро- поверхмежду тервале (у мим/с оистГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(56) Орлов В.С., Бондаренко С.С, Фильтрына поверхностных акустических волн. М,:Радио и связь, 1984, с, 200-204,Патент СШАГч; 3863497, кл, 6 01 Н 1/00, 1975,(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТ ЛЯИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛ(57) Изобретение относится к области измерения физических величин, таких как температура, сила, давление, и может бытьиспользовано в автоматике, Цель изобретения - повышение точности измерения. Длядостижения цели ультразвуковое устр во для измерения физических величин содержит пьезоэлектрический звукопровод 6, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены входной 2 и выходной 4 встречно-штыревые преобразователи, соединенные с выходом генератора электрического сигнала и входом регистра параметров этого сигнала. Расстояние между встречно-штыревыми преобразователями удовлетворяет соотношению 1У/21( Л/ - Л ИУ), где У - скорость распространения поверхностных акустических волн, м/с; 1 - частота генератора электрических колебаний, Гц; Ьи Л Ч - абсолютные приращения длины зв вода и скорости распространения ностных акустических волнпреобразователями в заданном ин изменения измеряемой величины,соответственно, 2 ил.5 10 15 20 25 30 40 45 Изобретение относится к области измерений физических величин, таких как температура, сила, давление., и может быть использовано в автоматике.Известны устройства для измерения физических величин, содержащие линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), входной и выходной встречно-штыревые преобразователи которой, расположенные на поверхности пьезоэлектрического звукопровода, соединены с входом и выходом широкополосного усилителя, а также соединенный с ними регистратор частоты.Недостаток известного устройства заключается в зависимости его информационного параметра - частоты не только от воздействия физической величины, но и от нестабильности сдвига фазы в усилителе и элементах электрического согласования,что приводит к снижению точности измерения.Другое из известных устройств, предназначенное для измерения физической величины, в частности температуры, содержит две линии задержки на ПАВ, каждая из ко-. торых включена в цепь обратной связи одного из двух усилителей и состоит из двух встречно-штыревцх преобразователей,расположенных на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода в общем акустическом канале.Функциональная зависимость частоты от воздействия температуры, фиксируемая регистратором этого устройства, отличается повышенной линейностью,Однако устройство не обеспечивает требуемой точности измерения без принятия мер по исключению влияния нестэбильности сдвига фазы в усилителях и многочастотного режима его работы,Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, соединенные соответственно с выходом генератора электрического сигнала и входом регистратора этого сигнала, Кроме того, в устройство между выходом генератора и входом регистратора введены фазовый детектор и регулируемый фазовращатель, при этом один вход фазового детектора соединен с выходным преобразователем, другой - с фаэовращателем, а выход - с регистратором сигнала, вход фаэовращателя соединен с входом генератора.Однако точность этого устройство огра. ничена нелинейностью характеристики фазового детектора, неоднозначностью измерения особенно при больших пределах изменения физической величины и дрейфом его нуля. Кроме того, конструкция устройства сложна,Целью изобретения является повышение точности измерения.Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в общем акустическом канале расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, соединенные с выходом генератора электрического сигнала и входом регистратора параметров этого сигнала соответственно, введен электрический канал, соединяющий входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, расстояние между которыми выбрано из соотношения где Е - расстояние между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, м;Ч - скорость распространения ПАВ,мlс;1 - частота электрического сигнала, Гц;Ли Л Ч - абсолютные приращениядлины звукопровода и скорости распространения ПАВ между преобразователями взаданном интервале изменения измеряемой величины, м и м/с соответственно.Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается новыми признаками: междупреобразователями введен электрическийканал для исключения неоднозначностиизмерения и, следовательно, повышенияточности расстояние между преобразователями выбрано во взаимосвязи с интервалом изменения измеряемой величины,На фиг, 1 показана структурная схемаультразвукового устройства для измеренияфизических величин, на фиг. 2 - конструкция пьезоэлектрического элемента этого устройства,Ультразвуковое устройство для измерения физических величин содержит генератор 1 электрического сигнала, выходкоторого соединен с входным встречноштыревым преобразователем 2 пьезоэлектрического элемента 3, а выходнойвстречно-штыревой преобразователь 4 элемента 3 соединен с входом регистратора 5электрического сигнала. Оба преобразователя 2, 4 расположены соосно друг другу водном акустическом канале на рабочей по- няющейся в направлении ближайшего реверхности пьезоэлектрического звукопро- бра звукопровода, нейтрализуют с повода 6, При этом штыри преобразователей мощью поглотителя(на фигурах не показан).2,4 выполнены перпендикулярно одной иэ Другая часть потока энергии ПАВ раскристаллографической осей звукопровода 5 пространяется по акустическому каналу, 6, вдоль которой. зависимость его длины и образованному апертурой входного скорость распространения ПАВ от воздей- преобразователя 2 и поверхностью звукоствия физической величины относительно провода, от преобразователя 2 до преобравелики, Наикратчайшее расстояние между зователя 4 и задерживается во времени.преобразователями 2, 4 выбрано из соотно Время задержки акустического сигнала в шения элементе 3 определяется скоростью распространения ПАВ и расстояниеммеждуЧ (1) преобразователями 2, 3. Начиная с момента21( )одновременного обратного преобраэоваГ 7 15 ния акустического сигнала в электрическийсигнал на преобразователе 4, определяемогде 1 - расстояние между входным 2 и вы- го прямым пьезоэффектом, механические ходным 4 встречно-штыревыми преобразо- колебания обоих ПАВ, как распространяювателями, м; щейся по акустическому каналу с временной1 - частота электрического сигнала гене задержкой, так и образованной непосредстратора 1, Гц; венно на преобразователе 4 без фазовогоЧ - скорость распространения ПАВ, сдвига (задержки) в электрическом канале.1интерферируют друг с другом, образуя наЛ Е и Л Ч - абсолютные приращения выходе элемента 3 результирующую амп длины звукопровода 6 и скорости распрост-. 25 литуду электрического сигнала, которую ранения ПАВ между преобразователями 2, фиксируют регистратором 5. Непреобраэо в заданном интервале изменения измеря- вавшуюся в электрический сигнал часть акуемой величины, м и м/с соответственно. стической энергии ПАВ, прошедшуюКроме связи преобразователей 2, 4 по преобразователь 4, демпфируют в области акустическому каналу между ними введено 30 ближайшего к нему ребра звукопровода, как электрическое соединение - электрический описано выше, Амплитуда электрического канала, образованный гальваническим сое- сигнала на выходе пьезоэлектрического динением их через резистивный слой про- элемента 3 при фиксированной частоте геводника 7, выбор состава и геометрических нератора 1 зависит от текущей разности фаз размеров которого. позволяет задавать сте сигналов, прошедших через оба канала.пень их взаимосвязи между собой при одном и том же фазовом сдвиге сигнала на При воздействии на пьезоэлектричепреобразователе 4, Исходный состав про- ский элемент 3 внешней физической вели- водника 7 может быть задан резистивный чины, такой как сила, давление или материаломтипа РС, Вдругом вариан температура, изменяется разность фаз коте устройства электрический канал может лебаний ПАВ на преобразователе 4, что быть образован за счет электрической емко- приводит к изменению амплитуды электстной связи между преобразователями 2, 4 рического сигнала на выходе элемента 3.посредством, например, расположенного Непрерывное изменение значения воздейнад ним проводящего экрана. 45 ствующего на элемент 3 внешнего фактораУльтразвуковое устройство для измере- приводит к непрерывному изменению ампния физических величин работает следую- литуды электрического сигнала на выходе щим образом. этого элемента. Амплитуда сигнала приПри подаче непрерывного электриче- этом максимальная, когда разность фаз коского сигнала с выхода генератора 1 на 50.лебанийПАВнапреобразователе 4,опредевходной преобразователь 2 и через рези- ляемая выражениемстивный проводник 7 на выходной синхронизма обоих преобразователей 2, 4, одни засчет явления обратного пьезэффекта преобразуют электрический сигнал в акустический. Акустический сигнал в виде ПАВ где Ьр - разность фаз колебаний ПАВ переносится по поверхности звукопровода на преобразователе 4, град, равную нулю 6 и двух противоположных направлениях ( Лу) = О, и минимальна, когда Лр =д, перпендикулярных штырям преобразовате- Таким образом, по значению амплитуды лей. Часть потока энергии ПАВ, распростра- электрического сигнала, фиксируемой реги1746511 Ь 1 Ьу21( ) ЬА ч ЬА Составитель В.КириловТехред М.Моргентал Корректор А,Токарская Редактор Т,Юрчикова Заказ 2402 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 стратором 5, получают информацию о значении измеряемой физической величины,Испол ьзуя выражен ие 1), чувствительность данного устройства,. выраженная через набег фаз колебаний ПАВ и фиксированную частоту, определяют выра- жением где ЬА - заданный интервал изменения измеряемой физической величины,За счет возможного задания уровня сигнала, прошедшего через электрический канал, соизмеримого с уровнем сигнала, прошедшего через акустический канал, достигается линеаризация зависимости амплитуды электрического сигнала на выходе устройства от значения измеряемой физической величины, а за счет выбора расстояния между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями устройства согласно соотношению (1) исключается неоднозначность измерения физической величины, чем обеспечивается высокая точность этого измерения. К тому же, доступность контроля частоты электрического сигнала генератора устройства в моменты считывания информации исключает погрешность, связанную с возможной нестабильностью генератора.Достоинством данного устройства также является возможность получения информации о физической величине посредством других параметров электрического сигнала,а именно частоты или разности фаз при слежении за одним и тем же значением амплитуды на выходе его пьезоэлектрическогоэлемента, что расширяет выбор нужного ти 5 па регистратора,Формула изобретенияУльтразвуковое устройство для измерения физических величин, содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей10 поверхности которого в одном акустическом канале расположены входной и выходной встречно-штыревой преобразователи,соединенные с выходом генератора электрического сигнала и входом регистратора15 параметров этого сигнала соответственно,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности измерений, в него введен электрический канал, соединяющийвходной и выходной встречно-штыревые20 преобразователи, расстояние. между которыми удовлетворяет соотношение где Ч - скорость распространения поверхностных акустических волн, мlс;1 - частота генератора электрических30 колебаний, Гц;Ьи Ь Ч - абсолютные приращениядлины звукопровода и скорости распространения поверхностных акустических волнмежду преобразователями в заданном ин 35 тервале изменения измеряемой величины,м и мlс соответственно,