Датчик перемещений

,1 УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧХРЫТИЯМГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Авторское свидеУ 1 060932, кл. С 0(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений. Предлагаемый датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, первый двухсекционный электрод 2 которого ,выполнен переменной толщины и вклю,чен в схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьез элемента 1 установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности этого 8014710 пьезоэлемента 1 и также выполнен двухсекционным, причем первая секция 6подвижного электрода 5 подключена ксхеме первого двухчастотного автогенератора 3, а вторая секция.7 подвижного электрода 5 - к схеме второгбдвухчастотного автогенератора 4. Выход первого двухчастотного автогенератора 3 через последовательно соеди"ненные полосовой фвтьтр 8 и первыйусилитель высокой частоты 9 подключен к первому выходу датчика (данныетемпературь 3,. а через последовательно соединенные первый фильтр нижнихчастот 1 О и второй усилитель высокой частоты 11 - к первому входу сме- Ясителя 1 2, связанного своим выходомчерез второй фильтр нижних частот 13с вторым выходом датчика (данные оперемещении), Выход второго двухчастотного автогенератора 4 черезпоследовательно соединенные третийфильтр нижних частот 4 и третий усилитель,высокой частоты 15 подсоединен к второму входу смесителя 13. ДеЬ3 3Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений и температуры.Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений.На фиг. 1 приведена функциональнаясхема датчика перемещений на фиг.2 10и 3 - спектры колебаний, получаемыхна выходах соответственно первого ивторого двухчастотных автогенераторов.Датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, первый двухсекционныйнеподвижный электрод 2 которого выполнен переменной толщины и включенв схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьезоэлемента 1 установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности, этого пьезоэлемента 1 и также выполнен .двухсекционным, причем первая секция6 подвижного электрода 5 подключена к схеме первого двухчастотногоавтогенератора 3, а вторая секция 7подвижного электрода 5. - к схемевторого двухчастотного автогенератора 4, Выход первого двухчастотного 30автогенератора 3 через последовательно соединенные полосовой фильтр, 8 ипервый усилитель 9 высокой частотыподключен к первому выходу датчика,а через последовательно соединенныепервый фильтр 1 О нижних частот ивторой усилитель 11 высокой частоты " к первому входу смесителя 12,связанного выходом через второйфильтР 13 нижних частот с вторым выходом датчика. Выход второго двухчастотного автогенератора 4 черезпоследовательно соединенные третийфильтр 14 нижних частот. и третийусилитель 15 высокой частоты подсоединен к второму входу смесителя 1 2,Датчик перемещений работает следующим образом.В исходном состоянии при нулевыхперемещениях подвижного электрода 5пьезоэлемента 1 этот электрод установлен так, что его плоскость симметрии проходит вдоль границы раздела неподвижного электрода 2 на двеРазнотолщинные двухступенчатые сек- .55ции одинаковой площади, но различного объема. Причем каждая из, двух" ступенчатых разнотолщинных секций неподвижного электрода 2 отличается от другой толщиной своих ступенек, а по площади все четыре ступеньки электрода 2 одинаковы, Симметрично относительно центра симметрии каждой из двухступенчатых половин неподвижного электрода 2 в исходном состояФ нии устанавливаются секции 6 и 7 подвижного электрода 5. Благодаря многоступенчатой конструкции неподвижного электрода 2 пьезоэлемента 1 ч предлагаемой колебательной системе при ее включении в схему многочастотного автогенератора оказывается возможным одновременное возбуждение нескольких достаточно интенсивных ангармонических колебаний, число которых в данном случае равно числу ступенек тонкопленочного электрода 2. В результате этого на частотах, зависящих от толшины активной зоны пьезоэлемента 1 и пропорциональных величин 1/0,25 а, где а - размер электрода 2, в пьезоэлементевозникают четыре ангармонических колебания с частотами У, - Я. Вследствие эффекта захвата энергии энергия первого из них с. частотой Я, в основном сосредоточена между первой секцией 6 подвижного электрода 5 и перекрывающейся с ней частью электроды 2 наименьшей толщины. Энергия второго колебания с частотой Я сосредоточена между секцией 6 подвижного электрода 5 и второй половиной левой секции электрода 2 переменной толщины, Энергия третьего, колебания с частотой ь сосредоточена в области пье 3зоэлемента 1 между правой секцией 7 подвижного электрода 5 и наиболее толстой частью электрода 2 переменной толщины. Энергия четвертого колебания с.частотой у сосредоточена в теле пьезоэлемента 1 в основном между секцией 7 подвижного .электрода 5. и правой половиной второй секции электрода 2 переменной толщины. Разнос между частотами И, -Я четырех ангармонических колебаний определяется разностью масс разнотолщинных частей электрода 2, перекрывающихся в каждый момент времени поверхностями правой и левойсекций 6 и 7 подвижного электрода 5. Это связано с тем, что в областях пьезоэлемента 1, находящихся между взаимно перекрывающимися областями электродов 6,7 и 2, создаются благоприятные условиядля локализации энергий соответствующих ангармонических колебаний.Возбуждение всех четырех ангармонических колебаний в пьезоэлемен 5 те 1 возможно и при использовании одного автогенератора, который должен работать при этом в многочастотном режиме. 6 днако такой режим работы связан с возникновением на выхо де автогенератора большого числа комбинационных частот, что приводит к трудности селекции информационных составляющих спектра выходного сигнала, а также значительно ухудшает кратковременную стабильность этих частотВ результате этого растет уровень шума на выходе селектирующих элементов датчика перемещений, а следовательно, повышается погрешность нуля при измерениях последних. Для снижения уровня нестабильности частоты информационных составляющих выходных сигналов датчика, а также для обеспечения необходимого низкого 25 уровня побочных составляющих спектра в предлагаемый датчик перемещений введен второй двухчастотный автогенератор 4, в схему которого подключены электрод 2 переменной 30 толщины и правая секция 7 подвижного электрода 5.Таким образом, двухчастотный автогенератор 3 обеспечивает непрерывное возбуждение ангармонических колебаний с частотами а и сд (фиг.2 ), а двухчастотный автогенератор 4- генерацию аигармонических колебаний с частотами И и д 4 (Фиг. 3) . Поскольку каждый из двухчастотных авто- генераторов 3 и 4 содержит нелинейный элемент - транзистор, то в спектрах их выходных сигналов содержатся составляющие с частотами прад,п сд, и шо й ш и 4 соответственно, где ш и и - целые числа. При этом максимальные амплитуды в спектрах выходных сигналов автогенераторов 3 н 4 будут иметь составляющие с суммарными яс ияся а также с разностны ми а иа частотами, причем1дсд ф "д гЯр сд дг )И сг = д э + д 4О 2 Я 4 дэ55Составляющая выходная сигнала авто- генератора 3 с суммарной частотой М выделяются из дискретного спектра(фиг,2) и через первый уилитель 9 высокой ч а с то ты и ос туп ает на п ерв ь Й выход датчика. Разностная составляющая спектра этого же сигнала с частотой рселектируется первым фильтромО нижних частот и через второй усилитель 11 высокой частоты поступает на один из выходов смесителя 12, на второй вход которого поступает сигнал с разностной частотойа , выделенный и: выходного сигнала второго двухчастотного автогенератора 4 с помощью третьего фильтра 14 нижних частот и усиленный третьим усилителем 15 высокой частоты.Сигнал с выхода смесителя 12, содержащий составляющие с комбинационными частотами шц + пупоступает на вход второго фильтра 3 нижних частот, который выделяет составляющую с разностной частотой Ырэ-Ирг-Ирт Этот сигнал затем поступает на второй выход датчика.При перемещении электрода 5 вправо масса электрода в активной зоне наиболее высокочастотного колебания с частотой я, уменьшается, а в активной зоне колебания с частотой Юг увеличивается. В результате измецения частот (д, и Ябудут разными по знаку и примерно равными по величине, причем Я, увеличивается, Иг уменьшается, а разностная частота И о - у, растет (фиг 2) В отлич ие от этог о смещение вп раво и одвижного электрода 5 приводит к уменьшению массы неподвижного электрода 2 в зоне активных колебаний наиболее низкой частоты Я и к соответствую 3щему увеличению массы электрода 2 в активной зоне колебаний с частотой Я . В соответствии с этим частота ЯЭрастет, частота а 4 падает, а раз- ностнаЯ частота Я г = И 4 - сд э Умень шается (фиг.3), Информационные частоты Я 4 Я Р и Ярг ЯвлЯютсЯ функци ями обоих йзмеряемых датчиком физических величин - температуры Т и перемещения 1. Для указанных частот получимс 1 Жо дт) дго г 2 т 1где сд,ИгоУэ, О , - начальные значениячастот сд, - цпри5 147 среднем положении подвижного электрода 5;атьа)2 ю аъ)а 4 в приращения частотЯ, -И 4 при перемещениях электрода5 относительно симметрии пьезоэлемента 1; фат а 42 т ) Ъта )4 Т Формула изобретения 20Датчик перемещений, содержащийпервый двухчастотный автогенератор,Гпьезоэлемент с двумя электродами,соединенными с первым двухчастотным 25 генератором, последовательно соединенные полосовой фильтр и первыйусилитель высокой частоты, последовательно соединенные первый фильтрнижних частот и второй усилитель ЗО высокой частоты, входы полосовогофильтра и первого фильтра нижнихчастот соединены свыходом первого двухчастотного генератора, один ) из электродов пьезоэлемента выполнен переменной толщины и закрепленна его поверхности, а другой установлен с возможностью перемещениявдоль противоположной поверхностипьезоэлемента, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппенияточности измерения перемещений, онснабжен последовательно соединенными смесителем и вторым фильтромнижних частот, последовательносоединенными вторым двухчастотнымавтогенератором, третьим фильтромнижних частот и третьим усилителемвысокой частоты, выходы второго итретьего усилителей высокой частоты соединены с входами смесителя,подвижный и неподвижный электродыпьезоэлемента выполнены двухсекционньии, а вторая секция подвижногоэлектрода и неподвижный электрод 65соединены. с вторьм двухчастотньмавтогенератором.- температурные приращения частот й -.Я при изменениях температуры Т окружающей среды.Суммарная частота я, практически не зависит от величины перемещений и является с большой точностью приближения функцией только температуры Т и)о о)+ т ) где Мд, = Я, + д 2,1 - среднее приращениесуммарной частотыИ , под воздействием температуры.Результирующая разностная частота Р У 2 Р 1 Цщ+Я 2 о 1 1 фьо+ юйЬ(Еа 2) 1),( а )фм%4 а + 30) мщ )о + и а(т ) Ж,Ьт) а (ат)чае . т тм м м а( п 1 д Ь (Ьш) а 4 Ьш ) ц 2) Аа, иЬа - начальные разности масс%разнотолщинных частейлевой и правой секцийнеподвижного электрода 2;И- М 4, - массы четырех разнотолщинных частей неподвижного электрода 2,Ь,(аа,), а,(аа),Ь(Ьад) а 64(Ьа) ПРИращЕНИя раЗНОстей масс разнотолщинныхчастей электрода 2, в активных зонах колебаний счастотами о, - а 4,1068 6выделяемая из выходного сигнала смесителя 12 посредством второго фильтра 13 нижних частот, практически не зависит от температуры и определяется лип)ь значением измеряемого перемещения.Таким образом, изменение.функци"ональной схемы известного датчика 10 перемещений и. усовершенствованиеконструкции чувствительного элемента этого датчика обеспечивают повышение практически вдва раза крутизны характеристики преобразования перемещение - частота. В свою очередь, это приводит к соответствующему повьппению точности измерений и снижению порога чувствительности датчика.1471068 актор В. Пет оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 10 Заказ 158 ВНИИПИ Гос Составитель В. Кольцов Техред А.Кравчук Корректор А. ОбруЧа Тираж 683 Подлисноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рауаская наб., д. 4/5