Дифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь

(51) 4 .(ф 01 К 7/32 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н,Е,Жуковского(56) Авторское свидетельство СССРУ 777482, кл. С 01 К 7/32, 1980. Заявка У 3618529/10,кл. С 01 К 7/32, приоритет 11.07.83,по которой принято решение о выдачеавторского свидетельства В 1177957.(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙАКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяетповысить точность измерений. С высокочастотного генератора 1 колебаниепоступает на измерительный преобразо-.ватель 2. Электрические колебания вовстречно-штыревых преобразователях5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся в мембране 4, а во встречно-штыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование. При воздействии давления и температуры мембрана 4 испытывает механические и ф12 температурные деформации, что приво- дит к изменению пути распространения поверхностей акустической волны в линиях 19 и 20 задержки, нанесенный на обе стороны мембраны 4, и к изменению частот автоколебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходах усилителей 13 и 18. В результате изменяются фазовые сдвиги в ли 75231ниях 19 и 20 задержек и частота авто- колебаний в автогенераторном измерительном преобразователе на выходе усилителя 25, По изменению частоты колебаний на выходе усилителя 18 судят об изменении измеряемой температуры, а по изменению частоты колебаний на выходе усилителя 25 определяют изменение измеряемого давления. 1 ил.Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в акустоэлектронных измерительных устройствах в качестве двухпараметровых датчиков для одновременного измерения давления и температуры.Целью изобретения является повышение точности измерений.На чертеже представлена структурная схема дифференциального измерительного акустоэлектронного преобразователя,Устройство содержит высокочастотный генератори измерительный преобразователь 2, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины 3 с мембраной 4 по центру, На обеих сторонах мембраны 4 нанесены по,цве пары встречно-штыревых преобразователей, причем противолежащие ВШП 5 и 6 являются входными, а встречно-штыревые преобразователи ВШП 7 и 8 выходными. Входные встречно-штыревые преобразователи 5 и 6 подключены к высокочастотному генератору 1. Устройство содержит также последовательно соединенные четыре смесителя 9-12 и усилитель 13, выход которого подключен к первому входу первого смесителя 9, последовательносоединенные четыре смесителя 14-17 и второй усилитель 18, выход которого подключен к первому входу пятогосмесителя 14, две линии 19 и 20 задержки и последовательно соединенные четыре смесителя 21-24 и третий усилитель, выход которого подключен к первому входу девятого 21 смеси 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 теля. Выход высокочастотного генератора 1 соединен с вторыми входами первого 9, третьего 11 пятого 14 и седьмого 16 смесителей, Вторые входы второго 10 и шестого 15 смесителей соединены с выходным 8 встречно-штыревым преобразователем, а вторые входы четвертого 12 и восьмого 17 смесителей соединены с выходным 7 встречно-штыревым преобразователем. Выход первого усилителя 13 соединен непосредственно с вторым входом девятого 21 и через первую линию 19 задержки с вторым входом десятого 22 смесителей. Выход второго усилителя 18 соединен непосредственно с вторым входом двенадцатого 24 и через вторую линию 20 задержки с вторым входом одиннадцатого 23 смесителей, Смесители 9 - 12, 14 - 17 и 21 - 24 выполнены однополосными. На выходах смесителей выделяют колебания либо суммарной, либо разностной частоты путем использования в них фильтровых или фазокомпенсационных узлов подавления нежелательных колебаний, Причем первый 9, второй 10, четвертый 12, шестой 15, восьмой 17, десятый 22 и двенадцатый 24 выполнены вычитающими - на их выходах выделяют колебания разностных частот; тре тий 11, пятый 14, седьмой 16, девятый 21 и одиннадцатый 23 выполнены суммирующими - на их выходах выделяют колебания суммарных частот, Противолежащие ВШП 5, 6 и 7, 8 расположены на одинаковом расстоянии от центра пластины 3, ВШП 5, 7 и 6, 8 1образуют две линии задержки на по- верхностных акустических волнах.Устройство работает следующим об 25(2.) ДЦ - фазовый набег, обусловлен 30Гный силовым воздействиемизмеряемого давления намембрану;ЬЧ - фазовый набег, обусловленный расширением мембраны д 5при температурном воздействииЬц" - Фазовый набег, обусловленюиный вспучиванием (изгибом)при температурном воздействии. где При воздействии давления и температуры мембрана 4 испытывает механические и температурные деформации 45 одновременно, что приводит к изменению ее геометрии, и, следовательно, к изменению путираспространения поверхностной акустической волны в линиях задержки. При этом приращения 50 длин пути ЬУ распространения поверх- ностной акустической волны,обуслов-" ленные воздействием давления Р на верхней и нижней сторонах мембраны 4 одинаковы по абсолютной величине,но 5 , противоположны по знаку и, соответст- венно изменения времени задержки сигнала в линиях задержки одинаковы,но разом,С высокочастотного генератора 1колебание с частотой поступает наизмерительный преобразователь 2, 5Электрические колебания в входныхвстречно-штыревых преобразователей5 и 6 преобразуются в поверхностноакустические волны, распространяющиеся на верхней и нижней сторонахмембраны 4 в обеих линиях задержки,одновременно. В выходных встречноштыревых преобразователях 7 и 8 происходит обратное преобразование поверхностной акустической волны в 15электрические колебания. При номинальных значениях силового воздействия и температуры колебания выделяемые на выходных встречно-штыревых преобразователях 7 и 3 сдвинуты на фазу по отношению к колебаниям,прикладываемым к входным встречно-штыревых преобразователей 5 и 6соответственно на величины противоположны по знаку и составляютвеличину е,гггде Ч - скорость распространения поверхностной акустической волны, Этообуславливает равные по величине,но- Ь Ч р = - " о " рфаз колебаний, снимаемых с выходных7 и 8 встречно-штыревых преобразователей. В то же время температурные воздействия вызывают как расширение (сжатие), так и вспучивание(изгиб) мембраны 4, а также отклонение скорости распространения ЬЧ поверхностно-акустической волны. Деформация расширения - сжатия и отклонение скорости распространенияповерхностной акустической волныобуславливают равные по величине и познаку отклонения времени задержкисигнала ьь в обеих линиях задержки,В силу этого температурные отклонения Ь( фаэ колебаний, снимаемыхс выходных 7 и 8 встречно-штыревыхпреобразователей равны по величинеи одинаковы по знаку. Кроме того происходит также отклонение Фаз Ь(колебаний на выходных 7 и 8 встречноштыревых преобразователей, обусловленные термическим вспучиванием (изгибом) мембраны 4 при жестком закреплении ее в корпусе или при градиентахтемпературы вдоль ее поверхности.Этиотклонения также как и.при воздействии давления, равны по величине,но противоположны по знаку по верхней и нижней сторонах мембраны.С выхода генератора 1 колебание с частотой Г и начальной Фазой ( поступает также на вторые входы смесителей 9, 11, 14 и 16. В то же время колебание, снимаемое с выходного7 встречно-штыревого преобразователяи сдвинутое по Фазе на величину Ь 9,(выражение (1) ) относительно колебания на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 12 и 17, а колебание, снимаемое с выходного 8 встречно-штыревого преобразователя и сдвинутое по фазе на величину Ьч (выражение (2 относительно колебания на выходе генератора 1, поступает на вторые входы смесителей 10 и 15, Включенные вкольцевое соединение смесители 9-12и первый усилитель 13 представляют собой автогенераторный измерительный преобразователь, в котором про7 1275231колебание с выходного 7 встречно-шть- лревого преобразователя с частотой Г +и начальной фазой Ч +Ь, . На выхо- Эде смесителя 17 выделяется колебание вс разностной частотой (Га + Г ) - Г = 5 р=Ца -2 дс.ь , Следовательно колебание ина выходе восьмого смесителя 17 име- иет ту же частоту Га , что и колебание гагна нервом входе пятого смесителя 14 10 ли сдвинуто по фазе на величину -2 АЦ тпо отношению к колебанию на первом нвходе пятого смесителя 14, Цепочка +последовательно включенных смесителей г14 - 17 представляет собой цепь об пратной .связи второго усилителя 18 во с, втором автогенераторном измерительном гпреобразователе. При достаточно высо- кком коэффициенте усиления усилителяф118 выполняется условие баланса амплитуд во втором АИП и частота коле- ибаний на выходе второго усилителя 18 2на основании условия баланса фаз травна н Фаз равна 25гР + 2 йс.ьГ (4)О 2 сгде и = 1, 3, 5 при инвертировании сигнала в цепи, состоящейиз последовательно включенных 30блоков 14 - 18 ип = 2, 4, б, при отсутствииинвертирования сигнала в цеписостоящей из последовательновключенных блоков 14 - 18; с - время запаздывания сигнала во2втором усилителе 18.Включенные в кольцевое соединение смесители 21 - 24 и третий усилитель 25 представляют собой третий автоге нераторный измерительный преобразователь, в котором происходят следующие преобразования сигналов, поступающие на вторые входы смесителей 21 - 24, В стационарном режиме при 45 выполнении условий баланса фаз и амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе существует автоколебание, частота и начальная фаза которого на выходе усилите ля 25 соответственно равны Га и ( . Колебание с выхода усилйтеля 25 поступает на первый вход девятого 21 смесителя, на второй вход которого поступает колебание с выхода 55 первого усилителя 13 с частотой Г,а 1 и начальной фазой Ца, . На выходе девятого смесителя 21 вьщеляется коебание с суммарной частотой Гаа 1и начальной фазой Чо+Фаз фто колебание поступает на первыйход десятого 22 смесителя, на втоой вход которого через линию 19 заержки поступает колебание с выходаервого усилителя 13 с частотой Го,фазовым сдвигом (рц + 2 нГС 1де ь, - время задержки сигнала винни 19 задержки. На выходе десяого 22 смесителя вьщеляется колебаие с раэностной частотой (Го +а,Г, ) - ГО, = Го, и фазовым сдвиом (а - 2 ГГО, которое постуа 1ает на первый вход одиннадцатогомесителя 23, на второй вход котороо через линию 20 задержки поступаетолебание с выхода второго усилителя8 с частотой Га и фазовым сдвигомца + 2 Га " ь где г вРемя заааздывания сигнала во второй линии0 задержки. На выходе одиннадцаого смесителя 23 выделяется колебаие с суммарной частотой Га + Го иг 0фазовым сдвигом ц +а Ыаз аь С 22 , которое поступает напервый вход двенадцатого смесителя24, На второй вход смесителя 24 поступает колебание с выхода второгоусилителя 18 с частотой Га и фазовым сдвигом Ч а , На выходе смесигтеля 24 выделяется колебание с разностнОЙ частотои (Га + Гд ) ГцГа и фазовым сдвйгом у +ЯТЯэ пз ад- 1 О, ,) , Следовательно, колебаниена выходе двенадцатого смесителя 24имеет ту же частоту Га , что и коле.бание на первом входе девятого смесителя 21 и сдвинуто по Фазе на величину 2 Т (Га ь - ГО . ) по отношению к колебанию на первом входедевятого смесителя 21Цепочка по 1следовательно включенных смесителейЪ21 - 24 представляет собой цепь обратной связи третьего усилителя 25 в третьем автогенераторном измерительном преобразователе. При достаточно высоком коэфФициенте усиления усилителя 25 выполняется условие баланса амплитуд в третьем автогенераторном измерительном преобразователе и частота колебаний на выходе третьего усилителя 25 на основании условия баланса Г о С (5)аэзэгде К = 1, 3, 5, при инвертиро-вании сигнала в цепи, состоящей из последовательно включенных блоков 21 - 25, иК = 2, 4, 6, при отсутствииинвертирования сигнала в цепи состоящей из последователь.Фно включенных блоков 21 - 25; о - время запаздывания сигнала вЗэтретьем усилителе 25. 1 ОФазовые сдвиги ЬЮ и ЬЦ предстацляются в следующем виде: Ьц,= С Ь;(6) 15 где С - фазовый коэффициент термо 5чувствительности поверхностной акустической волнылинии задержки;1С - фазовый температурный коэффициент силочувствителькости поверхностной акустической волны линии задержки;25приращение температуры,При выборе значения времени запаздывания сигнала ь в первой линии задержки 19 в соответствии с условиемЗОН ььээ,Мь "эз С "зэчастота колебаний на выходе третьегоусилителя на основании выражений (3),"ээ "з э "м, -"ьэ1 ЬЧ6ээПаРаметРы 1 с, ш. п, 7 эь Я ь , С и С в процессе измеренийэостаются фиксированными и их значения приизвестных структуре поверхностной акустической волны линии задержек, 45 нанесенных на мембрану 4, и конструкции усилителей 13, 18 и 26 могут быть установлены. В силу этого частота колебаний на выходе второго усилите 1 ля 18, как следует иэ выражения (4), зависит только от значения измеряемой температуры. Частота колебаний на выходе третьего усилителя из выражения (8), при этом зависит только от значения измеряемого давления.В динамическом режиме изменения информационных параметров - температуры и давления - вызывает изменение фазовых сдвигов (выражения (1) и (2) в поверхностной акустической волне в линиях 19 и 20 задержек, нанесенных на обе стороны мембраны 4)и приводит следовательно к изменению частот автоколебаний в первом и втором автогекераторном измерительном преобразователе на выходах соответственно первого 13 и второго 18 усилителей, Это приводит к изменению фазовых сдвигов в первой 19 и второй 20 линиях задержек и в конечном итоге к изменению частоты автоколебаний в третьем автогенераторном измерительном преобразова-. теле на выходе третьего 25 усилителя. В силу того, что параметры К,г Гщ / г л ш, иэне зависят от величины измеряемыхпараметров (температуры и давления, воздействующих на мембрану 4 по изменению частоты колебаний ка вй- ходе второго усилителя 18 судят об изменении измеряемой температуры,а по изменению частоты колебаний на выходе третьего усилителя 25 определяют изменение измеряемого давления.Формула изооретенияДифференциальный измерительный акустоэлектронный преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, последовательно соединенные первый, второй, третий и четвертый смесители и усилитель, выходом подключенный к первому входу первого, а входом - к выхсду четвертого сме. - сителя, последовательно соединенкые пятый, шестой, седьмой и восьмой смесители и второй усилитель, выходом подключенный к первому входу пятого, а входом - к выходу восьмого смесителя, а также мембранный датчик на поверхностных акустических волнах, выполненный в виде пьезоэлектрической пластины, на противоположных сторонах которой на одинаковом расстоянии от центра расположены пара противолежащих входных и пара противолежащих выходных встречно-штыревых преобразователей, выход генератора соединен с входными встречно-штыревыми преобразователями и с вторыми входами первого, третьего, пятого и седьмого смесителей,вторые входы второго ишестоСоставитель Ю,КлецкоТехред Л.Олейник Корректор Е,СирохманФ Редактор Н.Марголина Тираж 778 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д.4/5Заказ 6550/30 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул,Проектная,4 12752 го смесителей подключены к первому вы ходному встречно-штыревому преобразователю, а вторые входы четвертого и восьмого смесителей - к второму выходному встречно-штыревому преобразователю, причем четвертый, пятый и седьмой смесители выполнены суммирующими, а второй, шестой и восьмой - вычитающими, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью пОвышения точности измерений, в неговведены две линии задержки и последовательно соединенные девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый смесители и третий усилитель, выхо 31 12дом подключенный к первому входу девятого, а входом - к выходу двенадцатого смесителя, при этом первый,десятый и двенадцатый смесителивыполнены вычитающими, а третий,девятый и одиннадцатый - суммирующими, выход первого усилителя подключен к второму входу девятого смесителя и через первую линию задержки к второму входу десятого смесителя, а выход второго усилителя подключен к второму входу двенадцатогои через втоочю линию задержки к второму входу одиннадцатого смесителя.