Измерительное устройство для частотного пьезорезонансного датчика

(22) Заявлено 17. Офф. 81 (2 ) 3281095/18-21 72) Автори язобретеяи Иищанин Гречка и рш, А Знаменияйяйдцнаниа епропетровский ордена Трудового Крассударственныйуниверситет.им. 300-леУкраины с Россией) Заявител 5 Ь) ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГО ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНОГО ДАТЧИКАИзобретение сным измерения пьезорезонансн быть применено нометрии, для и химических с перемещений, м ров и газов, а случаях, требу тельности сред относится к резонанм с использованием х датчиков и может . для кварцевой толщи- исследования Физически войств веществ, микроикроконцентрации патакже в аналоговых ющих высокой чувствиств измерений. Известно устроиство, 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 счет" чиков 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 особенностями п 3 езорезонансного частот-. ного датчика и чувствительностью из" 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 стороиы.С выходов автогенераторов сигналы подаются на вход Формирователя сигна"3 97026ла разностной частоты, а с его выхода снимают полезный сигнал. Подстройка частоты резонаторов производитсяс помощью подстроечного конденсатора,либо с помощью варикапа, управляемогоот отдельного источника напряжения,причем как правило подстроенный элемент включается последовательно спьезорезонансным датчиком 1 2,Недостатками устройства является 10высокие требования к идентичности конструктивных и электрических характеристик двух пьезорезонансных частотных датчиков, работающих одновременно, усложнение настройки автогенераторов для обеспечения противоположных по частоте изменений сигналовдатчикбЪ, а также сравнитепьно низкаячувствительность.Цель изобретения - повышение чув- щвствительности измерительного устройства для частотного пьезорезонансного датчика,Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее измерительный автогенератор с пьезорезонанс 0ным датчиком, кварцевый автогенератор,опорной частоты и последовательно соединенные смеситель, первый частотныйдетектор и регистратор, причем первый выход измерительного и выходкварцевого автогенераторов подключены к входам смесителя, введены последовательно соединенные второй частот"ный детектор, аттенюатор, элемент за 35держки,а также управляемый усилитель семкостной обратной связью,две разделительные Й-цепочки и разделительный конденсатор, причем последний включенмежду выходом управляемого усилителя40и входом кварцевого автогенератора,а управляющий вход усилителя подключен через первую разделительную Вцепочку к выходу элемента задержки,который через вторую В-цепочку подключен к входу кварцевого автогенера 45тора, вход второго частотного детектора соединен с вторым выходом измерительного автогенератора.Причем частотозадающая цепь кварцевого .автогенератора выполнена в виде последовательно включенных кварцевого резонатора и варикапа, причемточка соединения кварцевого резонатора и анода варикапа является входомкварцевого автогенератора. На чертеже показана схема предлагаемого устройства. 5 фУстройство содержит измерительный автогенератор 1 с пьезорезонансным датчиком, кварцевый автогенератор 2 опорной частоты, смеситель 3, первый частотный детектор 4, регистратор 5, второй частотный детектор б, 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 конденсатор11, 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 цепочекКатушка 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 частотыгенерируемых 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 длячастотного пьезорезонансного датчика,содержащее измерительный автогенера,15 тор с пьезорезонансным датчиком,кварцевый автогенератор опорной частоты и последовательно соединенныесмеситель, первый частотный детектори регистратор, причем первый выход2 в измерительного автогенератора и выход кварцевого автогенератора подключены к входам смесителя, о т л ич а ю щ е е с я тем, цто, с цельюповышения чувствительности, в него25 введены последовательно соединенныЕвторой частотный детектор, аттенюатор, элемент задержки, а также управляемый усилитель с емкостной обратной связью, две разделительныеВ-цепочки и разделительный конденсатор, причем последний включен между выходом управляемого усилителя ивходом кварцевого автогенератора, ауправляющий вход усилителя подключен35через первую разделительную й-цепочку к выходу элемента задержки, ко"торый через вторую В 1.-цепочку подклю"чен к входу кварцевого автогенератора,вход второго частотного детектора сое 4 О динен с вторым выходом измерительногоавтогенератора.2. Устройство по и. 1, о т л иц а ю щ е е с я тем, что частотозадающая цепь кварцевого автогенерато 45 ра выполнена в виде последовательновключенных кварцевого резонатора иварикапа, причем точка соединениякварцевого резонатора и анода варикапа является входом кварцевого автоге 50нератора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизед 1. Патент Великобритании М 1314305,кл, 6 О 1 й 27/26, 1974.2. Малов В. В. Пьезорезонансныедатчики. М., фЭнергияф, 1978, с. 120. нал с нагрузки которого через аттенюатор 7, элемент 8 задержки и разделительную цепочку 19 и 21 подается науправляющий электрод управляемого резистора 14 в цепи отрицательной обратной 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 13управляя 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 суммарнойемкости управляемых элементов, этоспособствует более резким изменениямчастоты автогенератора 2 в процессе управления его частотой, Режим работыустройства настраивается так, чтобыизменение емкости варикапа и реактивной емкости, включенных в колебательный контур автогенератора 2, вызываетизменение 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, цто снижает погрешности,связанные с кратковременными флуктуациями частоты автогенераторов из-завнешних факторов,Аттенюатор 7 необходим для согласования сигнала, управляющего варикапоми 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 высокоцувствительных дифференциальных автогенераторных измерителях с параметрическими датчиками."Патент", г иа 55 Тираж 717 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, .Ж, Рау