Дефференциальный пьезоэлектрический преобразователь

,ЯО 12329 5 ц 4 с 0 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРГ 10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОБРЕТЕНИЯ ОПИСА ОРСКОМУ СВРЩЕТЕЛЬСТВУ У 19дена Ленина авиаН.Е,ЖуковскогоФ,Колпаков,олодовник етельство СССРЬ 1/16, 1980,ельство СССР1 1/16, 1982.(56) АвторскоеУ 851130, кл.АвторскоеВ 1008629, кл. Бюл. ий ор ут им н, ф,В,Ф,С 88.8) свид С 01 свидет С 01(57) Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величини может использоваться при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемыйобъект,. Цель изобретения - увеличе- .ние чувствительности к измеряемымпараметрам и повышениеточности измерений. Преобразователь содержитчувст1232964 вительный элемент 1 с пьезокварцевымРезонатором 2, подключенным к двухчастотному автогенератору З,выход которого соединен с Фильтрами 4 и 5.Фильтр 4 настроен на основную частоту пьезорезонатора 2 и связан с входом смесителя 7, фильтр 5 настроенна ангармонику пьезорезонатора 2 исоединен со смесителями 8 и 10. Входысмесителей 7 и 8 через автогенераторы 11 и 12 связаны с выходами усилителей 19 и 20 соответственно, а выхоИзобретение относится к техникеизмерений неэлектрических величин иможет быть использовано при построении телеметрических систем одновременного контроля силовых и температурных воздействий на исследуемый, объект.Цель изобретения - увеличениечувствительности к измеряемым параметрам и повышение точности измерений,На чертеже представлена функцио-,нальная схема предлагаемого,цифференциального пьезоэлектрического преобразователя.Преобразователь содержит чувствительный элемент 1 с пьезокварцевымрезонатором 2, подключенным к двухчастотному автогенератору 3. Входавтогенератора 3 соединен с первым ивторым фильтрами 4 и 5. Выход первого Фильтра 4, настроенного на основную частоту пьезорезонатора 2, связан с первым входом первого смесителя 7, выход второго фильтра 5, настроенного на ангармонику пьезорезонатора 2, соединен с первыми входамивторого и четвертого смесителей 8и 10. Вторые входы первого 7 и второго8 смесителей через первый 11 и второй12 автогенератоРы связаны с выходамипервого 19 и второго 20 усилителейсоответственно, а выходы нагруженына входы первого фазового детектора15, соединенного через первый фильтр17 нижних частот с входами первого 19 ивторого 20 усилителей. Второй выходвторого автогенератора 12 связан че 5 10 15 20 25 ЗО 35 ды нагружены на входы Фазового детектора 15, соединенного через Фильтрнижних частот (ФНЧ) 17 с входами усилителей 19 и 20. Вторые входы смесителей 9 и 10 через автогенераторы 13и 14 связа.ны с выходами усилителей,21 и 22, а выходы нагружены на вхоцыФазового детектора 16, соединенногочерез ФНЧ 18 с входами усилителей 21и 22. При этом автогенераторы 11, 12,13 и 14 выполнены двухчастотными,1 ил. рез третий фильтр 6 с первым входом третьего смесителя 9, Вторые входы третьего 9 и четвертого 10 смесителей через третий 13 и четвертый 14 автогенераторы связаны с выходами третьего 21 и четвертого 22 усилителей, а выходы нагружены на входы второго Фазового детектора 16, соединенного через второй фильтр 18 нижних частот с входами третьего 21 и четвертого 22 усилителей, При этом автогенераторы 11 - 14 выполнены двухчастотными.Конструктивно двухчастотный авто- генератор 3 и Фильтры 4 и 5 могут быть выполнены в виде унифицированного модуля-источника 23 информационных сигналов. Смесители 7 и 8, фазовый детектор 15, фильтр 17 нижних частот, усилители 19 и 20 постоянного тока и двухчастотные автогенераторы 11 и 12, а также смесители 9 и 10, Фазовый,цетектор 16, фильтр 28 нижних частот, усилители 21 и 22 постоянного тока и двухчастотные автогенераторы 13 и 14 конструктивно могут быть реалйЪованы в виде однотипных унифицированных модулей 24 и 25 разделения составляющих информационных сигналов с перестраиваемыми коэффициентами. усиления усилителей 19-22 постоянного тока , изменяемыми начальными частотами управляемых кварцевых генераторов 11- 14 и диапазонами их перестройки по частоте.Работа дифференциального пьезоэлектрического преобразователя происходит следующим образом.(5) Упругий (чувствительный) элемент 1 находится под действием силового и температурного полей в точке измерения. На торцовой поверхности упругого элемента 1 укреплен пьезокварцевый резонатор 2, испытывак 6 ций точечное нагружение и возбуждаемый одновременно на двух модах./ Пьезорезонатор 2 подключен к авто- генератору 3, работающему в двух- частотном режиме. С целью обеспечения высокой линейности и крутизны преобразования температурно-частотных и сило-частотных характеристик как на основной частоте, так и на ангармонике, целесообразно примене-. ние в качестве пьезорезонатора 2 кварцевого резонатора ЕС-среза.В дифференциальном пьезоэлектрическом преобразователе необходимо обеспечить определенный разнос между частотами основного колебания пьезорезонатора (моды Й ) и ближайшего по интенсивности ингармонического колебания (моды Е, ), где индексы ш, и, р при 2 означают число стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль осей у, х, к соответственно, Кроме этого, необходимо обеспечить высокое качество (добротность) как основного, так и побочного (ангармонического) резонансапьезорезонатора 2.В преобразователе после фильтров 4 и 5, связанных входами с выходами двухчастотного автогенератора 3 и настроенных на основную частоту Г и Йд соответственно, имеются, в зависимости от одновременно воздействующих на упругий (чувствительный) элемент 1 силы Р и температуры Т, час тотные сигналы следующего вида: й, =й, +а, (Р-Р, )+а (Т-Т); (1) Г, =й+а (Р-Р, )+а (Т-Т, ), (2) коэффициенты термочувствительности;коэффициенты тензочувствительности;измеряемые температура и сила (текущие);координаты репернойточки, в которой определяются коэффициентытермочувствительностиа а, и коэффициенты тензочувствина аф,о1. - частота основного колебания в репернойточке;очастота ангармоники вв реперной точке.Сигнал с вьжода фильтра 4 поступает на первый вход первого смесителя 7, а сигнал выхода фильтра 5 поступает на первый вход второго 8 и четвертого смесителя 10. Каждый из унифицированных модулей 24 и 25 раз,деления составляющих информационных сигналов в исходном состоянии, т.е. при воздействии на чувствительный элемент 1 температуры Т=Т, и силы Р=Р, настраивается так, чтобы выходные разностные частоты Г и Г перр, Р 7 вого 11 и второго 12 двухчастотньж автогенераторов, поступающее на вторые входы первого 7 и второго 8 смесителей, были равны соответственно=Г а выходные разностные частоты йр и Гр третьего 13 иР 4четвертого 14 двухчастотных автогенераторов, поступающие на вторые входы третьего 9 и четвертого 10 смесителей, были равны соответственно Г =й Г =ЕР Ъ Р Ъо Р 4 Р.( Кроме этого, выходные разностные частоты Г и Е двухчастотных уп 7равляемых кварцевых автогенераторов 11 и 12 выбирают так, чтобы выходные частоты первого 7 и второго 8 смесителей Р =Г -1 и Р =1 -Г при темР Я 7 Р 7пературе Т=Т, и силе Р=Г, оказались равнин Условия Г, =Г, и Гр =ЕР обеспер Р 1 о Р 7 Р 7 О чиваются такйм выбором основных час(тот Й и Е двухчастотного автогенератора 11, чтобы при температуре Т=Т, и силе Р=Г и таким выбором основных частот Е12и Г двухчастотного автогенератора 12, чтобы при температуре Т=Т, и силе Р=Р,Аналогично выходные разностныечастоты двухчастотных управляемых"уп оА ро Сигналы и 20 подают перво.го 11 и напряжением автогенерат Условия рз печиваются таким 1 частот Г и Г д з з генератора 13, чи Гвыбором Г, обесновных ухчасто обы при о автои Р=Р ров и снижают частот биений на выходе первого фазового 15 детектора 15, до нуля, Другими словами, в такой комбинированной системе МЛЧ, какую представляет собой модуль 24 разделения составляющих ин формационных сигналов, при любой Фазе 20 включения режим биений, блогодаря зара-,нееизвестному выбору знака расстройки йР частот Р и Р , величин коэффициентов передачи усилителей 19 и 20, соответствующему изменению напряже ний управлений и, следовательно, вы-ходных разностных частот управляемых.двухчастотных автогенераторов, стано-, вится апериодическими и наступает захват частот Р и Р (синхронный ре жия) .(7 1стот Гератора 1 и таким выборо новных ча о автоген Г двухчастотнтобы При воздеистви лемент 1 текущих игналы На выхода о 8 смесителей п а чувствительныи и Т частотные ервого 7 и второимут вид(Т 21 При эльфом устанав фаз ме ающими ектораивается постоянжду частотами Ь а входы первого 5 ная разност и Р , посту фазового десов с,(12 а) Р - полоса удержани ФАПЧ. стемь он.и тоты Р и Р В син олька захватились и этом ч ном режиме неравны, но и првоздействующеймент 1 силе Р.Действительчальная расстрределяетсяослец порцио на чув альны только вительный эле то о, учит йка час ующим о вая,разом Т,) а напряжение Ч, фазового детек на выходе первог15 74 "6 Рн ряе частоты 1,цвухчкварцевых автогенераторов 13 и 14выбираются так, чтобы выходные частоты Р и Р третьего 9 и четвертого10 смесителей Р =Г -Гр и Р.=Г-Йрпри температуре Т=Т, и силе Р=Р ока-зались равными Из-за различия коэффициента термо. и тензочувствительности на основной частоте Г (моде К, ) и побочном ре 1 пзонансе Й (ангармонике или моде Г )иЗ пьезорезонатора 2,а следовательно,за З 51счет разности частот аР =Р-Р, имеюН21 щейся в частотных сигналах с выходов смесителей 7 и 8, на выходе первого фазового детектора 15, на входы кото рого нагружены выходы первого 7 и второго 8 смесителей, наблюдаются биения и в зависимости от знака мгновенного напряжения, биений разность между частотами, Р и Р то повьппается, то понижается, что приво. дит к неодинаковой длительности положительной и отрицательной полуволн напряжения биений. В результате этого на выходе первого фазового детектора образуется постоянная составляю- О щая напряжения биений, причем тем большая, чем меньше начальная расстройка частот дР частот Р и Р (асинхронный режим),Постоянная сос с а Фазового детектор ет ез первый фильтр ниж т бнного тока, коэффициенты усилекоторых выбраны следующими: выходов усилителей 19 я на управляющие входы второго 12 управляемых двухчастотных кварцевых ьР =(а -а ) (Р-Р )+(а Ц и 21 о 12(16) ч оти К =я +с ьГ Хо чотн 1(18) Тогда лы Ер и 2 ов 11 и Р 1 О о 12 22Г =Г -Г =Г + а Р 2 2 о о о оаа -а ао соответственно с учетом коэффициентовусиления усилителей 19 и 20 будутизменяться следующим образом: Гвыходные разностные сигнаЕр с выходов автогенерато примут следующий вид: 15 с сПри этом сигналы Г, и Г с выходов смесителей 7 и 8 будут иметь следующий вид: о о 2 а 30Как видно из выражений (21) и (22) коэффициент чувствительности к силовым воздействиям в выходном сигнале1 с. (23) При дальнейшей работе преобразователя возникающая при изменении измеряемых Г и Т дополнительная рас;трой.Мка частот Е и й автогенератора 3 и, следовательно, частот первого 7 и второго 8 смесителей р и Г приводит к изменению уровня постоянного напряжения на выходе первого фазового детектора 15:(24) 55 и первого фильтра нижних частот 17. Если при возможных экстремальных расхожденияхчастот Ги р т.е. при 64 8определяемых диапазонамиН Иоксвоздействующих(измеряемых сил) и температур, расстроики 6,=2 ЬГс,с в первый 11 и второй 12 автогене-. раторы, достаточны для полной компенсации этих расхождений, то частотные сигналы с выходов первого и второго смесителей 7 и 8 всегда будут пропорциональны воздействующей на чувствительный элемент 1 силе Г.Поскольку фильтр 6 настроен на выделение одного из основных колебаний,)а именно колебания Г двухчастотногойавтогенератора 12, то сигнал на его выходе в синхронном режиме работы первого модуля разделения составляющих информационных сигналов 24 можно представить" следующим образом: о о о+ "(т-т ),или 2+а(р-р, )+а(Т-Т. ), (26) Сигнал вида (26) с выхода фильтра 6 подается на первый вход третьего смесителя 9. На первый вход четвертого смесителя 10 подается сигнал (2), а именно Г =Г +а, (Г-р, )+а (Т - Т, ), (27) Тогда с учетом соотношений (6)-(8) частотные сигналы на выходах третьего 9 и четвертого смесителей 10 при воз. действии на чувствительный элемент 1 текущих температуры Т и Силы Г примут видГ =Г+а 1 (Г-Г)+а 2 (Т-Т, )(28) Г =Г +а (Г-Р )+а (Т - Т ) . (29) В результате разности частот2Ьр=р -Г, имеющейся на выходахтретьего 9 и четвертого 10 смесителей, на выходе второго фазового детектора 16, на входы которого нагружены выходы третьего и четвертого смесителей, наблюдаются биения и образуется постоянная составляющая напряжения биений (асинхронный режим). Постоянная составляющая с выхода второго фазового детектора 16 подается через второй фильтр 18 нижних частот на третий 2111 1232964 в него введены второй фильтр нижних частот, третий ичетвертый автогенерато ры, третий и четвертый смесизели, второй фазовый детектор, третий фильтр и третий и четвертый усилители, причем третий и четвертый смесители связаны соответственно с первым и вторым входами второго фазового детектора, выход которого соединен через второй фильтр нижних частот с входами третьего и четвертого усилителей, выходы которых через третий и четвертый автогенераторы связаны с вторыми входами третьего ичетвертого смесителей соответственно,при этом первые входы второго и четвертого смесителей соединены с выходом второго фильтра , первый входпервого смесителя связан с выходомпервого фильтра, первый вход третьегосмесителя через третий фильтр соеди нен с вторым выходом второго автогенератора, при этом все автогенераторы выполнены двухчастотными. Составитель А. Пашков Редактор Н. Егорова Техред О.Гортвай Корректор А. ФеренцЗаказ 2758/41 Тираж 778 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва Ж, Раушская наб., д. 4/5