Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь

(23)П но нтет -6 01 1 1/16 3 Ьаударстненны 8 камнтет СССР на дедам нзабретеннй н атнфытнй(088. 8) Дата опубликования описания 07.12. 82 ВФ. Ф, Колпаков, В. А. Шевелев, В. М, Читова )т В; "Л; ПисавГВХарьковский ордена Ленина авиационный институтим, Н. Е. Жуковского(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Ео + 1)-аЕ (т)Е 2 02 а + дЕ (Т) 1.Изобретение относится к технике электрических измерений .неэлектрических величин и может быть использовано дляодновременного измерения механическихусилий, температуры и влажности,Известен дифференциальный пьезоэлек трический преобразователь механических усилий, содеркаший упругое кольцо с пьезоэлектрическими вибраторамй 1 3 и 23.Недостатком устройства является возможность измерения лишь одного параметра - силы.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дифферен 15 циальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий многопараметровый чувствительный элемент с "двумя пьезорезонаторами, выполненный на одной пьезокварцевой пластине и подключенными щ : к, двум автогенераторам которые своими входами погружены на входы фазового детектора, связанного через фильтр нижних частот с входами первого и второго уси 2лителей, соединенных своими выходамис управляющими входами первого и второго автогенераторов,В известном устройстве чувствительными элементами автогенераторов которогослужат пьезокварцевые резонаторы, одноиз измеряемых. воздействияй, в частностисила, приводит к изменению частот пьезорезонаторов в противоположные стороны,в конечном счете, и изменению частотгенерации автогенераторов, в разные стороны, в то время как второй измеряемыйпараметр - температура приводит к изменению частот пьезорезонаторов, и, следовательно, частот автогенераторов в однуи ту же сторону Благодаря дифференциальному включению пьезорезонаторов и схеме устройства имеется возможность измерять помимо02 фтретьего автогенератора 7 нагруженного на первЪй вход дополнительного фазового детектора 14, второй вход которого связан с выходом четвергого автогенератора 13, подключенного первым управляющим входом к выходу фильтра 10 нижних частот, а выход дополнительного фазового детектора 14 через дополнительный фильтр15 нижних частот подключен к входам третьего 16 и четвертого 17 усилителей, нагруженный на вгорые управляющие входы третьего и четвертого 13 автогенератороввМногопараметровый чувствительный элемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 18 и изготовленные за одно целое с ним мембрану 19 и цоддерживаюшие мембранные стойки 20. В корпусе 18 поддерживающие мембранные стойки 20 устанавливается кварцевая пластина, 2,1 Й,Й-среза) со ступенчатыми электродами 22; на опорные шайбы 23 установлен пьезокварцевый диск 24 (ЬС-среза) с плоскимиэлектродами 25, поджатый с торцов пружинами 26.Многоараметровый чувствительный элемент 1 находится под действием силы Р(Х 1), температуры Т(Х), ускорения фХ), действующего в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса 18 и проходящей через середины пружин 26, Пьезокварцевый диск 24 с плоскими электродами 25 выполнен из материала такого же ЬЙ-среза как и пьезоквариевая пластина 21 со ступенчатыми электродами 22, а также имеет одинаковую с пьезокварцевой пластиной 21 ориентацию относительно кристаллографических осей, Благодаря этому устраняется помеховое влияние температуры Т, заключающееся во взаимном перемешении плоских электродов 25 пьезокварцевого диска 24 относительно ступенчатых электродов 22 пьезокварцевой пластины 21. Пьезокварцевый диск 24 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполняет роль массы, используемой в акселерометрах. При этом ширина и конфигурация пружин 26, ограничивающих перемещение пьезокварцевого диска 24 по поверхности опорных шайб 23, выбирается такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действия ускорения и максимальную жесткость во всех остальных направлениях, Ступенчатые электроды 22, центры которых расположены под углом 120 о относительно центра пьезокварцевой пластины 21, нанесены на ней так чтобы плоскости торцов 39799силы и второй измеряемый параметртемпературу ГЗ 3Однако в известном устройстве отсутствует возможность одновременного изме,рения ускорения, действуюшего на датчик.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, т, евозможностьйзмерення помимо температуры и силы еще и ускорения.Поставленная цель достигается тем, йчто в устройство введены третий пьезорезонатор, входящий в состав многопараметрового чувствительного элемента ивключенный в дополнительно введенныйтретий автогенератор, преорразователь 1 Ючастота напряжение, четвертый автоге йератор, дополнительный фазовый детектордополнительный фильтр нижних частот, атакже третий и четвертый усилители, причем выход второго автогенератора связан рчерез преобразователь частота - напряжение с первым управляющим входом третьего детектора, второй вход которого связанс выходом четвертого автогенератора,подключенного первым управляющим вхо Здом к выходу первого фильтра нижних частот, а выход дополнительного фазовогодетбктора через дополнительный фильтрнижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей, нвгруженных уна вторые, Фравляющне входы третьегои четвертого автогенераторов,На фиг. 1. изЬбражена функциональнаясхема предлагаемого дифференциальногопьезоэлектрического преобразователя;3на фиг. 2 - конструкция предлагаемогопреобразователя,Преобразователь содержит многопараметровый (трехпараметровый) чувствительный элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2-4, подключенными к автогенераторам 5 - 7, фазовый детектор 8, преобразователь 9 частота - напряжение,фильтр 10 нижних частот, усилители 11и 12, четвертый автогенератор 13, допол 4 Я. нительный Фазовый детектор 14, дополнентельный фильтр 15 нижних частот, третийи четвертый усилители 16 и 17 соответственно, причем выходы первого 5 и второго 6 автогенераторов своими выходаминагружены на входы первого фазового деЗОтектора 8, связанного через фильтр 10нижних частот с входами первого 12 ивторого 11 усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входамипервого 5 и второго 6 автогенераторов,выход, второго автогенератора 6 свйзанчерез йреобразователь частота - напряжение 9 с первым управляющим входом2 6резонансных частот пьезокмрцевых резонаторов 2 - 4 и, следовательно частот генерацииГ, Г автогенервторов 5 - 7. Причем, так как в качестве резонаторов применяются кварцевые резонаторы ).С-среза, обладающие линей,ной зависимостью часготы от Т, и то частоты генервторвции можно записать следуюшим образом.нию действия ускорения,В процессе сборки многопараметрово го чувствительного элемента на мембрану 19 воздействуют давлением, при этомподдерживаюшие мембранные стойки 20отклоняются в стороны и в них вставляется пьезокварцевая пластина 21 со ступенчатыми электродами 22, причем такимобразом, чтобы ось каждого резонатора йпроходила через центр поддержимюшеймембраннойсгойки 20 и центр пьезокварцевой пластины 21, При снятии давленияпьезокварцевая пластина 21 оказывается зажатой в трех поддержимюших мем Ибранных стойках 20. При этом пьезокварцевый диск 24 подгибом пружин 26 устанавливается относительно зажатой пьезокварцевой пластины 21 так, чтобы плоскость симметрии каждого резонатора проходила через диаметр каждого плоскогоэлектрода 25 пьезокварцевого диска 24и вдоль плоскости раздела массы соответствуюшего ступенчатого электрода 22пьезокварце вой пластины 21, Отметим, 25что диаметр каждого плоского (подвижного) электрода 25 меньше диаметра соответствующего ступенчатого (неподвижного) электрода 22,11 Я 1 31 Коэффициенты преобразования по силе и массе при дифференциальном включении должны иметь для резонаторов 2 и 3 либо противоположные знаки, либо различные по величине коэффициенты б 12 и 4 2, с 1 Ъс 2 ЭВ качестве пьезокварцевых резонаторов в предлагаемом устройстее используютсярезонаторы 1 С-среза, имеюшие высокие коэффициенты преобразования по температуре, силе и массе и обладаюшие линейной зависимостью частот от измеряемых воздействий, Кроме того, для этих резонаторов можно подобрать необходимые величины и знаки силовых коэффициентов чувствительности, Так, например, при изменении угла приложения силы относи тельно криствллографической оси Х кмрцевого резонатора можно получать различные по величине и знаку коэффициенты силовой чувствительности. В нашем случае при приведенном на фиг. 2 расположении резонаторов относигельно центра пьезоэлектрической пластины 21 козффи 30При изменении воздействуюшего давления .Р происходит изменение сжимающих усилий, пропорциональных давлению и прикладыввемых к каждому резонатору (эффект тензочувствнтельности) .35 Воздействие температуры Т на кварцевые резонаторы происходит черезмембрану контактным путем и путем радиации (эффект термочувствительности).Воздействие ускорения приводит кИзменению взаимного расположения подвижных (плоских) электродов 25 пьезокварцевого диска 24 и неподвижных(ступенчатых) электродов 22 пьезокмрцевой пластины 21, в, следомтельно, иизменению массы неподвижных электродов 22 в активной зоне (эффект массочувствительности).Таким образом, кварцевые резонаторы2 - 4 многопараметрового чувствительного элемента 1 находятся под действием давления, температуры и ускорения. Поскольку резонаторы 2-4 подключены соответственно к автогенераторам 5 - 7, то55 одновременное воздействие силового и температурного полей, а также ускорения, через эффекты тенэо, - термо, - и массо- . чувствительности приводит к изменению где Т, Е и с - воздействующие температура, сила и ускорение; О 1( = 1 Д ) - коэффициент преобразования по температуре или О, (1 = 1, Э) - коэффициент температурной чувствительностисоответствующего кварцевого резонатора;0 ( 1=1, ) - коэффициент преобраэомния по силе или коэффициент массочувствительности.Пьезоэлектрические резонаторы 2 - 4 выполнены на одной обшей пьезокварцевой пластине 21 и имеют одинаковые по величине и знаку коэффициенты преобразования по температуре, что характерно для дифференциальных устройств979902 10тровый чувствительный элемент с двумяпьезорезонаторами, выполненными на одной пьезокварцевой пластине и подключенными к двум автогенераторам, которыесвоими выходами нагружены на входы фа .зового детектора, связанного через фильтрнижних частот с входами первого и второго усилителей, соединенных своими выходами с управляющими входами первогои второго автогенератаров, о т л и ч аю ш и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в неговведены третий пьезорезонатор, входящийв состав многопараметрового чувствительного элемента и включенный в дополнительно введенный третий автогенератор, преобразователь частота - напряжение, четвертый автогенератор, дополнительный фазовый детектор, дополнительный фильтрнижних частот, а также третий и четвертый усилители, при этом выход второгоавтогенератора связан через преобразователь частота - напряжение с первымуправляющим входом третьего автогенератора, нагруженного на первый вход дополнительного фазового детектора, второйвход которого связан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первымуправляюшим входом к выходу фильтранижних частот, выход дополнительногофазового детектора через дополнительный фильтр нижних частот подключен квходам третьего и четвертого усилителей,связанных с вторыми управляющими входами третьего и четвертого автогенераторов,9ран из условия (3), т,е,а коэффициент массочувствительностийьезорезонатора 4 выбран. из условия (4),5т, е. то мы имеем дифференциальное устройст-й во, включаюшее, автогенераторы 7 и 13, второй фазовый детектор 14, второй фильтр 15 нижних частот, а также третий и четвертый усилители 16 и 17, относительно третьего измеряемого параметра - ускорения.Имеющаяся расстройка .частот Е и Г 4 автогенераторов 7 и 13 приводит к аналогичному ранее рассмотренному режиму биений (асинхронный режим), а затем щ захвату частот Г и Е 4 (синхронный режим), в результате чего напряжение на выходе второго фильтра 15 нижних частот будет пропорционально третьему измеряемому параметру - ускорению с, а 2 частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 7 и 13 при выбранных разнозначных коэффициентах усиления усилителей 16 и 17 будет пропорционален воздействуюпей на пьезорезонаторы силе Р р=оь -а =а Р =Е 4- -о 4 (аэ - ада)% = а аы)Следовательно, в предлагаемом устройстве имеется возможность одновремен, 3 ного измерения трех разнородных физических параметров - температуры, силы (давления) и ускорения, а также увеличить точность определения температуры и силы за счет устранения дополнительной погрешности их определения, обусловленной влиянием ускорения,формула изобретения Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содеркаший многопараме Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР558189, кл. б 01 (, 9/08, 1975.2. Патен Великобритании1483456, кл. С 1 6 (601 1, 1/16),1977.3, Авторское свидетельство СССРпо заявке2886749, кл. С 01 Ь 1/16,1980 .979902 Фиг Г Составитель Н, МараховскаТехред С.Мигунова ктор И, Ватрушкина Редактор ва нова аз 9345/29ВНИИПИ Тирах 887 ПодГосударственного комитета СССРло делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 писное илиап ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4