Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

,С 011/16, С 01 К 7/32 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Харьковский ордена Ленинаавиационный институт им.Жуковского(56) 1. Авторское свидетельство СССРУ 518189, кл. 6 01 (, 9/08, 1975.2. Авторское свидетельство СССРпо заяке Р .2886749/18-10 (028631),кл. 6 011/16, 25,02.80,54)(57) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий чувствительный элемент с пьезорееонатором, автогенератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя, о т л и,801008629 А ч а ю ц и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет учета, градиента температур, в него введены два фильтра, два делителя частоты, второй автогенератор и умножитель частоты,при этом автогене ратор выполнен двухчастотным и двумя выходами соединен через фильтры с делителями частоты, выходы которых подключены к входам фазового детектора, а выход. фазового детектора через фильтр,нижних частот соединен с входами двух усилителей, выходы которых включены на управляющие входы автогенератора, а выход одного делителя частоты дополнительно соединен с первым входом смесителя, вто- Е рой вход которого через умножитель частоты подключен к выходу второго автогенератора, смесителя, входом с выходом фильтра нижних част СИзобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для одновременного измерения механических усилий и температуры.Известен дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий два дифференциально включенных пьезорезоиатора 13.Недостатком устройства является невозможность одновременного изме рения силы и температуры.Наиболее близким к предлагаемому цо технической сущности является дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий чувствительный элемент с пьезорезонатором, автогенератор, смеситель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и два усилителя 2 ).достаточно сложная конструкция чувствительного элемента, а также имеющийся градиент температур в чувствительном элементе не позволяет добиться высокой точности измерений.Цель изобретения - повышение точности измерения за счет учета гради ента температур.Указанная цель доатигается тем, что в преобразователь введены два фильтра, два делителя частоты, второй автогенератор и умножитель частоты, при этом автогенератор выполнен двухчастотным и двумя выходами соединен через Фильтры с делителями частоты, выходы которых подключены к входам фазового. детектора., а выход 35 фазового детектора через фильтр нижних частот соединен с входами двух усилителей, выходы которых включены,на управляющие входы автогенератора, а выход Одного делителя часО тоты дополнительно соединен с первым входом смесителя, второй вход которого через умножитель частоты подключен к выходу второго автогенератора, связанного входом с вы ходом Фильтра нижних частот.На чертеже представлен преобразователь.Преобразователь содержит чувствительный элемент 1 с пьезокварцевым резонатором 2, подключенным к авто- генератору 3. Выходы автогенератора 3 через фильтры 4 и 5, первый 4 из которых настроен на основную час-. тоту пьезорезонатора 2 , а второй 5 - на его. ангармонику, связаны с входа ми делителей частоты б и 7 соответственно. Выходы делителей частоты б и 7 нагружены на входы фазового детектора 8, который связан через фильтр 9 нижних частот с входами Щ первого 10 и второго 11 усилителей, нагруженных своими выходами на управляющие входы автогенератора 3. Выход фильтра 9 нижних частот также связан с входом второго автогенератора 12, подключенного через умножитель 13 к второму входу смесителя 14, первый вход которого связанс выходом второго делителя.7 частоты.Упругий элемент 1 находится поддействием силового и температурногополей в точке измерения. На торцевую поверхность упругого элемента 1укреплен пьезокварцевый резонатор 2,испытывающий точечное нагружение.Пьезорезонатор 2 подключен к автогенератору 3, работающему в двухчастотном режиме. С целью обеспечения высокой линейности и крутизны преобразования температурно-частотных и сило-частотных характеристик как на основной частоте,так ина ангармонике, целесообразно применение в качестве пьезорезонатора 2кварцевого резонатора С-среза. Длярезонаторов С-среза изменением углаприложения силы относительно йристаллографической оси Е кварцевого резонатора можно добиваться различногоЬо величине и знаку коэффициентасиловой чувствительности как на основной частоте, так и на ангармонике.В дифференциальном.пьезоэлектрическом преобразователе необходимообеспечивать определенное значениечастот основного колебания и побочного резонанса (ангармоники) пьезоре-.зонатора 2, а также высокое качество(добротность ) ангармоники, т.е. необходимо уметь управлять частотой икачеством не только основного, но иангармонического резонанса пьезорезонатора.Первое условие необходимо для обеспечения достаточно простого разделения фильтрами 4 и 5 частот основногоколебания Юо пьезорезонатора 2 и ангармоники Ед на выходе двухчастотногоавтогенератора 3, для чего частотыЕо и Уд должны быть достаточно разнесены на частотной оси (для частотКо и Уд порядка 5 10 Гц и при добротностях С-фильтров порядка 100этот разнос должен быть порядка100 кГц и выше),Второе условие необходймо для обеспечения высокой стабильности частотыангармоники, так как в противномслучае будет возрастать погрешностьопределения измеряемых температуры исилы из-за нестабильности частоты.Экспериментальные исследованиядля кварцевых резонаторов на частоты500 кГц - 5,5 МГц показали воэможность. получений требуемого значения частоты ангармоники, отличающееся от основной на 20 кГц - 1 МГцпутем изменения геометрии пьезоэлемента и электродов кварцевого резонатора. Экспериментальные исследованияпоказали также возможность раздельной подстройки частот основного ипобочного резонансов по сравнениюс расчетными значениями путем допыления материала электрода или снятием его части,Главной и принципиально необходимой особенностью кварцевого резонатора с ангармоникой для работы собственно дифференциального пьезоэлектрического преобразователя являетсявоэможность, варьируя геометриейпьезоэлемента и электродов, варьировать величиной добротности как основного колебания, так и ангармоники.Это, в свою очередь, позволяет изменять коэффициенты тенэо- и термочувствительности.как на основной час тоте, так и на ангармонике. Причинаэтого заключается в том, что при изменении добротности изменяются вместес сопротивлением Ко кварцевого резонатора также один или .оба реактивных динамических параметраи Скварцевого резонатора, которые, как% %известно, ответственны как за коэффициент термочувствительности, таки за коэффициент тензочувствительно 425Таким образом, имеется воэможностьуправлять частотами,:качеством и коэфФициентами термо- и тензочувствительности основного и побочного резонан.са (ангармоники) кварцевого резонатора.В преобразователе после фильтров4 и 5, связанных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3.и настроенных на основную частоту о 35пьезорезонатора 2 и его ангармонику Гд соответственно, имеются в зависимости от одновременно воздей-,ствующих на упругий (чувствительный)элемент 1 силы Р и температуры Т 40частотные сигналы следующего вида;:"+а (Т-Т )+а 2-о)у:Е +ат-То)+22( о)45ао коэффициенты преобразованияопо температуре или коэффициенты" температурной чувствительности (коэффициенты термочувствительности )а ,а 2 " коэфФициенты преобразовао ония по силе или коэффициенты силовой чувствительности (,коэффициенты тензочувствительности);55, Т,Р - измеряемые температура исила (текущие);Т,Го- координаты реперной точки,в которой определялиськоэффициенты термо- и 60тензочувствительности;1 О - частота основного колебания в реперной точке,- частота ангармоники в реперной точке. 65 Сигнаиы с выходов Фильтров 4 и 5 поступают на входы делителей 6 и 7 частоты соответственно, на выходе которых приобретают следующий видгде К и К 2 - коэффициенты деленияделителей 6 и 7 частоты.из-за различия коэффициентов термо- и тензочувствительности на основной частоте и побочном резонансе (ангармонике) пьезореэонатора 2, а, следовательно, за счет разности частотами Н = Г - Г 2, имеющейся после фильтров 4 и 5 и делителей частоты 6 и 7, на выходе фазового детектора 8, на входы которого нагружены выходы делителей частоты 6 и 7, наблюдаются биения, и в зависимости от знака мгновенного напряжения биений разность между частотами Ги Г 2 то повьыается, топонижается, что приводит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений. В результате этого на выходе Фазового. детектора 8 образуется постоянная составляющая напряжения биений, причем тем большая, чем меньше начальная расстройка дУн частот Я и У (асинхрон 1ный :режим)Коэффициенты деления делителей частоты 6 и 7 выбираются такими, что:о о1 о Гн 1Постоянная составляющая с, выхода фазового детектора 8 подается через фильтр 9 нижних частот на усилители 10 и 11 с соответствующими коэффициентами усиления:ао3 ЙТ 12 21 о о12 2 22 1пт а 2 КтО2 оО,д К 2-а 22 К 1Сигналы с усилителей 10 и 11 подаются на управляющие входы управляемого напряжением двухчастотного автогенератора 3 и снижают частоту биений на выходе фазового детектора 8 до нуля. В реальной системе ФАПСИ с интегрирующим фильтром 9, если МН 4 а Г (ЬГ 3 - полоса захвата1008629 1го, в предлагаемом. устройстве точность определения воздействующих Т и Е гораздо выше, нежели в прототипе.Это связано как с использованием лишь одного пьезорезонатора, а,следовательно, с упрощением конструкции чувствительного элемента и отсутствидХа 2 а и 22 сЪ Х " 22 ф 2 фа 11 22 12 21 Х 2 11 22 12, 2 что приводит к практически полному отсутствию зависимости погрешностей 20 от значений измеряемых Т и Г и куменьшению самих величин погрешностей. Составитель А.СеверинТехред С,Мигунова КорректорМ.Коста Редактор Н,Стащишина Заказ 2329/54 Тираж 871 ПодписноеВНИИПИ Государственного комнтета СССРпо делам изобретениЯ и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Как показали эксперименты приизменении Т и Е выполняются соотношениЯ; ДО,. д Д 42 ЙМ 20 ,о о11 21 12 22 ем градиента температур, так и с некоторыми другими факторами.Можно дОказать, что погрешность измерения для случая одновременного измерения двух параметров трансформируется для каждой составляющей ХТ) и Х 1 Е) следующим образомг