Способ определения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразователей

Оп ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 27. 06. 80 (21) 2947335/18-21 1) М. КЛ. с присоединением заявки М С 01 й 27/28 Государственный комитет СССР по дедам изобретений и открытий,1(и 88.8 л Дата опубликования описания 23.02.83",кфвпФдоваИЙлтъвкогд,"Лтроулящ Пензенский филиал Всесоюзного научно-исс технологического института прибор(71) Заявитель 4) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫ ХАРАКТЕРИСТИКРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Изобретение относится к измеритель ной 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 испытательного сигнала и регистрации выходного сигнала преобразователя, по которому судят об искомой динамической характеристике испытуемого преобразователя 11.Недостатком этого способа явля-, ется сложность технической реализа. ции, 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. частот ному детектированию 21.Недостатком данного способа является невысокая точность определения динамических характеристик пьеэорезонансных измерительных преобразователей. Действительно, при определении, например, переходной характеристики измерительного преобразователя частоты последовательного резонанса пьеэореэонаторов, выполненного в виде автогенератора, частота выходных колебаний которого стабили.эируется пьезорезонатором, согласно известному способу создают скачок частоты последовательного резонанса пьеэорезонатора путем, например, переноса последнего из одного термос- тата в другой сразличными температурами термостатирования. а затем сопоставляют известное значение разницы температур термостатов с полученным путем частотного детектиро 998978вания изменением частоты выходныхколебаний испытуемого преобразователя,Однако, как видно на этом примере, с помощью известного способа определяют не искомую переходнуюхарак,теристику пьезореэонансного измериельного преобразователя, а суммарнуюпереходную характеристику, включающую в себя также переходную характеристику термочувствительности пьезореэонатора, Поскольку постоянная тепловой инерции пьеэорезонаторов весьмавелика(порядка нескольких десятковсекунд), то определение динамическиххарактеристик пьеэорезонансных измери 45тельных преобразователей известнымспособом связано с существенными погрешностями.Кроме тото, применение известногоспособа обусловливает физическое не- Щэлектрическое воздействие испытательным сигналом на пьеэорезонатор, Таккак формирование испытательных сигналов определенной формы незлектрической ( например, тепловой, механи Яческой) природы сложнее полученияэлектрических испытательных сигналов,то известный способ определениядинамических характеристик пьезорезонансных измерительных преобразо- ЗОвателей весьма сложен в техническойреализации.Целью изобретения является повышение точности и упрощение способаопределения динамических характеристик пьезорезонансных измерительных, 3.преобразователей.Укаэанная цель достигается тем,что согласно способу определениядинамических характеристик пьезореэонансных измерительных преобразо- Ователей, заключакщемуся в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходногосигналов испытуемого преобразователя, изменяют по закону изменения 45испытательного сигнала уровень возбуждения, например амплитуду колебаний пьезорезонатора, выходной сигналиспытуемого преобразователя подвергают амплитудному детектированию, 5 Оа результат амплитудного детектирования сопоставляют с результатомчастотного детектирования,Наиболее просто предлагаемый способ может быть реализован при определении динамических характеристик пьеэореэонансных измерительных преобразователей, снабженных устройствами автоматической регулировки уровня возбуждения пьеэорезонаторов. 60На чертеже приведена функциональная электрическая схема измерений по дредлагаемому способу на примере определении амплитудно- и фаэочастотных характеристик измерительного 65 преобразователя частоты последовательного резонанса пьезореэонаторов.устройство, реализующее способ,содержит испытуемлй преобразователь1, выполненый, например по схеме автогенератора на операционном усилителе 2, охваченный положительной( пьезорезонатор 3 и резистор 4) иотрицательной ( резистор 5 и управляемый резистор 6 ) обратными связями,с цепью автоматической регулировкиуровня (АРУ) возбуждения (амплитудынапряжения) пьезорезонатора 3, составлянщий иэ усилителя 7, выпрямителя 8, источника 9 опорного напряжения и сумматора 10, на:.вход которого подается испытательный сигнал 0частотный 11 и амплитудный 12 детекторы выходного напряжения 0 испыЬЫХтуемого преобразователя 1 и блок 13сопоставления результата амплитудного детектирования с результатомчастотного детектирования,Для определения амплитудно- и фаэочастотных характеристик испытуемого преобразователя 1 на вход сумматора 10 подается испытательный сигналв виде переменного гармонического напряжениял=О,ООЙ 1 (1) с постоянной амплитудой О = СОИЯ и изменяющейся частотой Я. = МО. Цепь АРУ обеспечивает изменение амплитуды напряжения на выходе операционного усилителя 2 по закону(2) где Ки ЧАр - коэффициент пропорциональности и сдвиг фаэ, определяемые параметрами цепи АРУ При этом амплитуда напряжения на пьезорезонаторе 3 будет изменяться следукфаим образомЪО=Фо=(1 кйорСОэ(91+ЧАРч) (3)Крргде К= в 9 ,К - соответственк Я 9 Р 4но сопротивления пьезореэонатора 3 и резистора 4.Вследствие эффекта неизохронности, т.е. зависимости частоты колебаний пьезореэонатора 3 от амплитуды колебаний, частота последовательного резонанса И)э пьезорезонатора 3 в первом приближении будет определяться выражениемфее= аЪ(+ъОМ) =- ф 0 С 1 ф 11"хэОлвСО(Ю+р )3где ШО - частота последовательного резонанса невозмущенного (при 0 О=О) пьеэорезонатора 3; К - коэффициент неизохронности.Таким образом, входной сигнал испытуемого преобразователя 1, которым является частота последовательного резонанса Щ 8 пьеэореэонатора 3,будет изменяться по законч измененияиспытательного сигнала 1),Считая, что динамические свойства преобразователя 1 проявляются визменении глубины и фазы модуляциичастоты выходных колебаний К цхпреобразователя 1 относительно глубиныи фазы модуляции Юдля выходногонапряжения 1 Х опер.ционного усили 10теля 2 и, следовательно, испытуемогопреобразователя 1 получим выражениЕвью= тоСО Цвых 1, ( 5 )в котором О определяется выражением (2), а 35Юцх =Щф 4 К(й) 1 1)яКО,ОСОБ ( б)1 ЯА+чру ч(мУ,где КЮЦ, Щ(Я.) - соответственно ампли- ;дтудно-частотная и фазочастотная характеристика испытуемого преобразователя 1,Подвергая 01)(амплитудному ичастотному детектированию, получим 25оответственно на выходе амплитуд -АА )( АА 10 Сб+ АРу+Чдд) ( 7 )Оцд (ид 1( (й ) 1( кь1 осо 5 М+ чдруффЖ)чцДгде КА, Куд- коэффициенты передачи, афА, ЧА- сдвиги фаэ совственно амплитудйого 12 и частотного 11 детекторов.Таким образом, на выходе амплитудного детектора 12 получим напряжение (7), пропорциональное изменению входного сигнала (ювх 14 ), а на выходе 40 частотного детектора 11 - напря.кение (8), пропорциональное изменению частоты выходных колебаний О 28 х(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 ЦААполучим на выходе блока 13.сигнал Ц(9),прямо пропорцио нальный искомой величине Киспытуемого преобразователя 1)Кч к(щк кахьО к 4 хчдкткъ ф) ф КАд к 01 о . КдА(9) 55где К - коэффициент передачи измерителя отношения амплитуднапряжений Очд, Одд.Для определения фазочастотной ха рактеристики 9(Ю) испытуемого преобразователя 1 блок 13 сопротивления .выходных напряжений частотного 11 и амплитудного 12 детекторов необходимо выполнить в виде фаэометра, по-, у казание Ч( кототоро будет в этом случае пропорционально разности фаз напряжений ,д (3) и дд(7) (10)( ) - к фЯ 1%Ару ФЧ(Щ+Ччд 1-+9 АРу+ЧААЯ 1 где К - коэффициент передачи .Фаэо 5метра.При выполнении равенства 9 уд= 9 дА(что нетрудно выполнить на практике)показания блока 13 - фаэометра будутпропорциональны значениям искомойфазочастотной характеристики Й)испытуемого преобразователя 1Оч)=Ч(а),(111Аналогично описанному могут быть определены и другие динамические характеристики преобразователя 1. В частности, для определения переходной характеристики необходимо лишь вместо напряжения (1) подать на вход сумматора 10 скачок постоянного напряжения, а в .качестве блока 13 использовать двухлучевой осциллограф.Очевидно, что изменение уровня возбуждения пьезореэонатора 3 по закону изменения Испытательного сигнала в пьеэореэонансных измерительных преобразователях на основе авто- генераторов с АРУ (подобных описанному выше) возможно и другими из- вестными методами, например путем модуляции испытательным сигналом выходного напряжения .источнйка 9 опорного напрякения. В пьеэореэонансных измерительных преобразователях на основе автогенераторов без АРУ изме,нение уровня возбуждения пьеэарезонагоров по закону изменения испытательного сигнала возможно, например, путем изменения по этому закону напряжения питания активного элементаавтогенератора.Таким образом, в предлагаемом способе изменение уровня возбуждения пьеэореэонаторов 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 ЧАВ,тем самым существенно повышается точность определения динамических.характеристик пьеэореэонансных измерительных преобразователей.Возможность использования в пред лагаемом способе электрических испытательных сигналов вместо сигналов998978 формула изобретения Составитель С. МорозовРедактор В. Иванова Техред К.Мыцьо Корректор В. Бутяга аказ 1149/68 Тираж 708ВНИИПИ Государственного копо делам изобретений и113035, Москва, Ж, Равюуск Подписномитета СССРоткрытийая наб., д. лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проек неэлектрической природы в известных способах существенно упрощает определение динамических характеристик пьеэореэонансных измерительных преобразователей.5 Способ определения динамических характеристик пьезорезонансных из О мерительных преобразователей, заключающийся в сопоставлении входного и подвергнутого частотному детектированию выходного сигналов испытуемого преобразователя, о т л и ч а ю, - 15 щ и й с я. тем, что, с целью повышения точности и упрощения, изменяют по закону изменения испытательного сигнала уровень возбуждения, например амплитуду колебаний пьеэорезонатора, выходной сигнал испытуемогопреобразователя подвергают амплитуд-.ному детектированию, а результат амплитудного детектирования сопостав -ляют с результатом частотного детектирования. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Широков К.П. и др. Основныепонятия теории динамических измеренийв "Измерительная техника", 1975,У 12, с. 12.2. Кончаловский Ю.В и др. Элекгрические измерительные преобразователи, М., "Энергия", 1967, с. 264265, 267-268.