Пьезорезонансный измерительный преобразователь

,:13элжаку откварак,вле ческсть ки и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) В.А.Вильщук и С.В.Фроловский (71) Омский политехнический институт (53) 531.781(088.8)(56) 1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., "Энергия", 1978, с. 248.2. Сергеев В.Ф. Определение функции преобразования пьезокварцевых преобразователей перемещения. - "Измерительная техника", 19818, с.18-20 (прототип).(54)(57) 1. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, и расположенный на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механи-, ческим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности путем исключения температурной погрешности, в него введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, формирователь коротких импульсов, устройстов задержки и третий электрод, нанесенный на пластину с противоположной стороны от первого электрода, приэтом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим электродами, а входы через формирователь импульсов - с генератором тактовых импульсов, причем выход автогенераторасоединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управляющие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным ичетным выходами распределителя импульсов, при этом ,четный выход распределителя импульсов соединен черезпоследовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройствозадержки со входом обнуления реверсивного счетчика, выход которогосоединен с информационным входом запоминающего устройства, вход раэреше.ния записи которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов. 2. Преобразователь по п. 1, л и ч а ю щ и й с я тем, что цевая пластина ориентирована т что боковая грань пластины нап на параллельно кристаллографи оси второго порядка, а плоско пластины наклонена к. кристалл фической оси третьего порядка правлении против часовой стрел углом 26-280, 1137349Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения неэлектри- ческих величин: линейного перемещения, силы, ускорения, давления 5 и т,п.Известны пьезорезонансные преобразователи физических величин, использующие в качестве датчиков тензо- и силочувствительные кварцевые 10 резонаторы 13.Недостатком таких преобразователей является низкая тензо- и силочувствительность пьезоэлементов, что не позволяет получить требуемую 15 точность при измерении малых входных воздействий. Улучшение разрешающей способности преобразователей путем увеличения добротности резонаторов и снижения в результате этого неста бильности частоты выходного сигнала невыгодно с технико-экономической точки зрения, а применение входныхмеханических усилителей приводит к значительному увеличению габаритов 25 и массы датчиков, что существенно ограничивает область их применения.Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности к изобретению является пьезорезонансный изме рительный преобразователь, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, и расположенный на расстоя- нии от другой поверхности пластинь 1 второй электрод, связанный с механическим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору, Так как измерительная цепь содержит преобразователь микронеремещени (кварцевый резонатор с зазором), то чувствительность устройства в целом определяется свойствами входного преобразоваля. Например, использование в качестве последнего мембран малой жесткости позволяет строить высокочувствительные миниатюрные датчики давленийГ 21.Недостатком такого устройства является температурная погрешность 50 пьезорезонансного датчика с перемен-. ным зазором.Анализ температурной погрешности показал, что устройствам подобного типа присущи.как аддитивная состав- ,55 ляющая температурной погрешности, вызванная наличием определенной температурно-частотной характеристики пьезоэлемента, так и мультипликативная составляющая, обусловленная зависимостью величины емкостного отношения от температуры.Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения температурной погрешности.Поставленная цель достигается тем, что в пьезорезонансный измерительный преобразователь, содержащий кварцевую пластину с первым электродом, нанесенным на одну поверхность пластины, а расположенный на расстоянии от другой поверхности пластины второй электрод, связанный с механическим преобразователем, причем оба электрода подключены к автогенератору, введены электронный ключ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, реверсивный счетчик, запоминающее устройство, формирователь коротких импульсов, устройство задержки и третий электрод, нанесенный на пластину с противоположной стороны от первого электрода, при этом выходы электронного ключа соединены с вторым и третьим электродами, а входы через формирователь импульсов - с генератором тактовых импульсов, причем выход автогенератора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, входы которого, управляющие сложением и вычитанием, соединены соответственно с нечетным и четным выходами распределителя импульсов, при этом четный вход распределителя импульсов соединен через последовательно соединенные формирователь коротких импульсов и устройство задержки с входом обнуления реверсивного счетчика, выход которого соединен с информационным входом запоминающего устройства, вход разрешения записи которого соединен свыходом формирователя коротких импульсов. Кварцевая пластина ориентирована так, что боковая грань пластины направлена параллельно кристаллографической оси второго порядка,а плоскость пластины наклонена к кристаллографической оси третьего порядка против часовой стрелки под углом 26-28На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма работы устройства.Пьезорезонансный измерительныйпреобразователь состоит из первично3 1137го механического преобразователя 1,пьезорезонансного датчика 2 с переменным зазором, содержащего кварцевуюпластину 3 с электродами 4-6, автогенератора 7, электронного ключа 8,генератора 9 тактовых импульсов,распределителя 10 импульсов, содержащего делитель 11 частоты на два,устройства 12 и 13 задержки, логические элементы И 14 и 15, а также инвер тор 16, формирователя 17 коротких импульсов, устройства 18 задержки,реверсивного счетчика 19 и запоминающего устройства 20.Подвижный электрод 6, жестко связанный с первичным преобразователем 1, и электрод 4 подключены к автогенератору 7, а электроды 5 и 6 датчика 2 соединены с сигнальными выходами электронногоключа 8. К выходу 0генератора 9 тактовых импульсов подсоединены входы делителя 11 частотына два и устройства 12 задержки,а их выходы соединены с входами логического элемента 14. Выход логическо го элемента 14 через инвертор 16соединен с входом логического элемента 15, на второй вход которого черезустройство 13 задержки поступает выходной сигнал устройства 12 задержки. Выходы логических элементов 14и 15 соединены с первым и вторымвходами электронного ключа 8 и входами управления сложением и вычитаниемреверсивного счетчика 19, соответ 35ственно на счетный вход реверсивногосчетчика 19 поступает сигнал с выходаавтогенератора 7. Выход логическогоэлемента 15 соединен с входом формирователя 17 коротких импульсов выЭ40ход которого соединен с входом разре-,шения записи информации, запоминающего устройства 20 и через устройство18 задержки с входом обнуления реверсивного счетчика информационные выхоЭ45ды которого подсоединены к соответствующим входам запоминающего устройства,Преобразователь работает следующим образом.50 Генератор 9 тактовых импульсов (ГТИ) вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с длительностью положительного полупериода (фиг.2 а), которая поступая на вход распределителя 10 импульсов (РИ), подается в нем на делитель 11 частоты на два (ДЧ) и устройство 12 за 349 4 держки (УЗ).Выходные сигнаы двух последних блоков (фиг.2 Б и е соответственно) поступают на входы ло-, гического элемента И 14 (ЛЭ), на выходе которого (он же является первью выходом РИ 10) вьщеляются условно нечетные импульсы ГТИ 9 (фиг.2 1). Выходной сигнал ЛЭ 14, инвертируясь в блоке 16 (фиг.2 д ), поступает на один из входов ЛЭ 15. На второй вход ЛЭ 15 (он же является вторым выходом РИ 10) вьщеляются условно четные импульсы ГТИ 9 (фиг.2 М ), УЗ 12 и 13 необходимы для синхронизации по переднему фронту входных импульсов ЛЭ 14 и 15.формирователь 17 коротких импульсов (ФКИ) по заднему фронту четного импульса вырабатывает короткий импульс (фиг.2 3 ), который поступает на вход разрешения записи информации запоминающего устройства (ЗУ) 20 и с некоторой задержкой в ЗУ 18 (фиг.2 и) на вход обнуления ре версивного счетчика (РС) 19. После прохождения этого импульса и до появления нечетного импульса ГТИ 9 все регистры РС 19 находятся в кулевом состоянии и сигналы на входах управления сложением и вычитанием, последнего отсутствуют (импульсы иэ автогенератора 7 в РС 19 не поступают). Измерительный преобразователь установлен в исходное состояние.Цикл измерения начинается при поступлении из ГТИ 9 нечетного импульса, который вьщеляется на первом выходе РИ 10 и поступает иа первый вход ключа 8 (бн может быть выполнен, например, на триггере и полевом транзисторе) и вход управления сложением РС 19, При этом электроды 5 и 6 датчика 2 разомкнуты и в РС 19 записывается число, соответствующее количеству импульсов автогенератора 7 частотой Е = Е ( Ы, Т) за времяСледующий (четный) импульс ГТИ 9 вьщеляется на втором выходе РИ";10 и поступает на второй вход ключа 8 и вход управления вычитанием РС .19,При этом ключ 8 замыкает электроды 5 и 6 датчика 2 и из содержимого РС 19 вычитается число,соответствующее количеству импульсов автогенератора 7 с частотой Х: Е(Т 1, поступивших в РС 19 за время. По истечении этого времени ФКИ 17 вырабатывает им 1137349,пульс и содержимое РС 19 записывается в ЗУ 20 . После операции записи проходит импульс из УЗ 18 и измеритель вновь устанавливается в исходное состояние, а информация о величи не,входного воздействия хранится в ЗУ 20 в течение цикла измерения.Минимизация температурной погрешности в предложенном преобразователе осуществляется следующим образом.10Для кварцевого резонатора с зазором температурная погрешность описывается зависимостью:+С (ЬТ)где ЬТ -интервал рабочих температур20 температурный коэффициент емкостного отношениятемпературный коэффициент линейного расширения в направлении толщины кварцевой пластины,Ы: --1 Эв Д-ь атК 30 К: в (1+1/63) 1+2 ю(1 ф 1 ИИ 45 Е=Е(ст) =Е("1+от Ео и в .реверсивный счетчик записываетсячисло, соответствующее количествуимпульсов 50 При замыкании электродов 5 ичастота сигнала 2 И.о Р 0 =,1,ЬТ+6,ЬТс,(дТ 1 а, вр, ср- температурные коэффициенты соответственно 1-го, 2"го и 3-го порядков пьезоэлемента данного среза. 35Первое слагаемое выражение у представляет мультипликативную составляющую температурной погрешности пьезорезонансного датчика, так как коэффиценты К и К зависят от вели2чины зазора д . Когда электроды 5 ,и 6 датчика 2 разомкнуты на выходе генератора 7 присутствует сигнал частоты а количество импульсов, поступающеев счетчики т Г 1 ю,дт ь, дт д дт 12По окончании цикла измерения в запоминающем устройстве 20 записывается число Таким образом, в предлагаемом преобразователе осуществляется компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности. В дифференциальных датчиках также осуществляется компенсация аддитивной составляющей температурной погрешности, однако, в отличие от предложенного преобраэователя, такие датчики должны содержать два пьезоэлемента с идентичными температурно-частотными харак-, теристиками, что требует применения прецизионной технологии изготовления пьезоэлементов и приводит к существенному росту затрат на их производство.Основным источником мультипликативной погрешности датчиков с переменным зазором является температурная нестабильность емкостного отношения, т.е.к с ъ к,р7Так как величина рд, зависит оториентации пластины относительнокристаллографических осей кварца, визмерительном преобразователе используется пьезоэлемент срезаУХО +(26 - 28 р),для которого выполняется условие сщ = О. При определении. оптимального угла среза, обеспечивающего о =О, приняты следующиедопущения: пьезопластина имеет бесконечно большие поперечные размеры,но конечную толщину 1 , нормальк пластине параллельна, направлению распространения механическихколебаний.В реальных условиях в зависимости от геометрических размеров и формы пьезоэлемента и электродов найденный угол следует скорректироватьв пределах +26- + 28,Несмотря на высокую термочувствительность пьезоэлемента данногосреза в результате компенсацииаддитивной температурной погрешности в предложенном преобразователепри величине перестройки датчикаИЖ = 1 -1 Ф в диапазоне температур АТ = 40 град, температурная погрешность преобразования зазор-частота не превышает сотых долей про 5 цента, что на два порядка лучше, чем у прототипа с термостабильным пьезоэлементом АТ-среза. 1137349функцией температуры, предлагаемыйпьезорезонансный преобразовательможет быть использован для измерениядвух параметров: температуры и в зависимости от типа первичного преобразователя линейного перемещения(давления, силы, ускорения и т.п.).Указанное обстоятельство способствуВ преобразователе устранена тем- ет получению дополнительной инфорпературная погрешность.что существен- мации о состоянии контролируемого10но повышает точность измерений, объекта, а в случае контроля нескольПоскольку в режиме работы преобра- цих параметров позволяет сократить зователя с замкнутыми электродами число измерительных преобразовате и 6 датчика 2 частота выходного , лей (датчиков), что имеет важно при сигнала автогенератора является 1 работе с малогабаритными объектами.1337349 Составитель В.Куликоведактор Л.Пчелинская Техред М.Надь КорректорО,гор Подписное Зак Тир енн с обретений Ж, Ра д, 4/5 од, ул Проектная,Филиал ППП "П ент", г. Уж 10512/30ВНИИПИ Госудапо делам и113035, Москв 898 о комитета СССР и открытий ушская наб