Электрический генератор с последовательной цепью возбуждения колебаний

Союз Советских Социалистических Республик(31) 7 б 24571 (33) ФранцияОпубликовано 300981,Бюллетень М 3 бДата опубликования описания 300981(51)М. Кл.з Н 01 1 41/08 Государстаенный комитет СССР но делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Иностранцы Мишель Вальдуа и Арман ДюпюиИностранная фирма Оффис Насьональ дЭтюд э де Решерш Аэр(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Изобретение относится к области электрических генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами и может быть использовано в качестве. эталонов частоты синхронизирующих сигналов в5 воздушных или космических транспортных средствах.Известны электрические генераторы, содержащие пьезоэлектрические резонаторы (13 .Недостаток их состоит в низкой стабильности частоты электрических кслебаний.Известен электрический генератор с последовательной цепью возбуждения колебаний, содержащий емкость, регулирующую частоту колебаний, состоящую по крайней мере из одного переменного конденсатора, одна из пластин которого соединена с выходом цепи, пьезоэлектрический кварцевый резонатор, один из зажимов которого соединен с другой пластиной конденсатора, и усилитель, вход которого связан с другим зажимом резонатора, выход которого связан с выходом последовательной цепи, и схему согласования по уровню сигнала колебаний, посылаемого указанной цепью, связанную своим входом с выходом упомянутой цепи 2.30 Недостатком этого генератора является невысокая стабильность частоты электрических колебаний при действии ускорения.Цель изобретения состоит в повышении стабильности частоты электрических колебаний при действии ускорения,Указанная цель достигается тем, что генератор содержит устройство, чувствительное к ускорению, котороМУ подвергается генератор, механически связанное с неподвижной и подвижной арматурой переменного конденсатора соответственно степени свободы движения; устройство, чувствительное к ускорению, может представлять собой упругий возвратный элемент подвижной арматуры соответственно степени сво-. боды движения; переменный конденсатор может иметь переменное расстояние между пластинами, а упругий возвратный элемент состоять из гибких пластин, которые, закреплены на арматуре, установленной параллельно и с возможностью перемещения в сторону неподвижной арматуры переменного конденсатора.Кроме того,. в таком генераторе направление движения перемещения подвижной арматуры переменного кон"гдег ,г,г - соответствующие проекции вектора ускорения 1 на все триосновные осиОХ ,01 и 02;К К и К - коэффициенты пропор"кциональности данного резонатора, которые практически постоянны в даннойобласти величин ускорения40 В качестве примера для кварца АТ,указанного вьаае, номинальная частотаЬколебаний которого равна 5,10 Гц,было найдено:К= 1 О- Кз = 2,10-К =10" 65 при величинах ускорения от -50 до + денсатора может быть параллельно век" тору чувствительности к ускорению, пьезоэлектрического кристалла резонатора, а укаэанная переменная емкость может состоять из трех переменных конденсаторов, которые содержат ,каждый одно устройство, чувствительное к ускорению и к упругому возврату их подвижной арматуры, которыеэлектрически соединены параллельномежду собой и последовательно с резонатором, и направления движения перемещения подвижных арматур которыхсоответственно параллельны трем основным осям пьезоэлектрического кристалла резонатора.Предлагаемый генератор может иметьдва варианта исполнения, В первом варианте одна иэ пластин переменногоконденсатора имеет профилированныекрая между прямыми, перпендикулярными к направлению движения перемещенияподвижной пластины, а другая пластинапеременного конденсатора имеет прямоугольную поверхность.Во втором варианте упругий возвратный элемент состоит из гибкой пластины, закрепленной на подвижной арма"туре, которая подвижна на постоянномрасстоянии от названной неподвижнойарматуры и в направлении, параллельном к поверхностям пластин.По первому и второму вариантамисполнения названные профилированныекрая определяются каждый следующимотношением профиля Р в зависимостиот перемещения и подвижной арматуры-РР)= 1 0 к)где А - постоянная, зависящая от геометрических и механических параметров названного упругого элемента иназванного переменного конденсатора;К - постоянная, зависящая от названных геометрических и механическихпараметров, а также от противоположной поверхности названных арматурпри нулевом ускорении и других емкостей названного генератора.На фиг. 1 показана электрическаясхема пьезоэлектрического резонатораи его переменной емкости; на фиг.2пьезоэлектрический кристалл в аксонометрии .и его основные оси; наФиг. 3 - конденсатор, компенсирующийускорение, согласно рервому вариантуисполнения, вид справа в полуразреэе 1на Фиг. 4 - то же, вид сверху наФиг, 5 в , схема конденсатора в аксонометрии, компенсирующего ускорение,согласно второму варианту исполнения; на фиг. 6 - сечение по переднейстороне неподвижной пластины конденсатора, изображенного на фиг. 5; наФиг. 7 показана Форма профиля поперечных краев неподвижной пластины;на фиг. 8 показано расположение трехпеременных емкостей компенсирующего конденсатора согласно первому варианту исполнения, когда вектор чувствительности к ускорению неизвестен;на фиг. 9 - то же, согласно второмуварианту исполнения.Электрический генератор содержитпоследовательную цепь, состоящую изпеременного конденсатора 1, одна изпластин которого соединена с выходом2 цепи, пьезоэлектрический кварцевыйрезонатор 3, один из зажимов которо" о го связан с другою пластиной конденсатора 1, и усилитель 4, ввод которого соединен с другим зажимом резонатора, а вывод которого 5 связан свыходом 2 цепи, Схема б, вход которой соединен с выходом 2 цепи, обес печивает согласование по уровню сигнала колебаний, передаваемого черезвыход 2 цепи, который она передаетчерез свой выход 7 .на другие схемыили органы. Вектор г, показанный в 20 одном из направлений, представляетускорение, которому подвергается генератор, и целью которого являетсякомпенсация явлений посредством автоматического изменения величины ему кости С переменного конденсатора 1.На Фиг. 2 показан пьезоэлектрический кристалл 8 резонатора 3 и всетри его основные оси, которые обозначены ОХ,ОУ и 02, Крйсталл 8 представляет собою, например, кварц вразрезе АТ. Известно, что такой разрез обеспечивает максимальную стабильность частоты и минимальную чувствительность к. изменениям температуры. Чтобы обеспечить максимальныйрезонанс, грань 9 кристалла 8 представляет собою шаровой сегмент, выпуклость которого ориентирована внаправлении 01.Экспериментально определяли изме нения частоты дГ таких кварцев в разных направлениях по направлениям ихосновных осей, изменяя число точеккрепления на держателях (не представленных на фиг. 2) при разных величинах ускорения. Было установлено, чтово всех случаях изменение частоты( герцах) в обе стороны по отношениюк номинальной частоте, которая определяется частотой при нулевом уско О ренин, может быть выражено с помощьюследующего уравнения:а%: Кгк+Кзг+К. г, (1)+50. Коэффициенты Ик, к, к 2 выражены в герцах на единицу ускорения земного притяжения (Гц/).Следует заметить, что уравнение (1) является развернутой формой скалярного произведения:5чь (2)ЬГ= Кв котором- вектор ускорения,Фа К - вектор, выражающий по модулю к направлению чувствительность к ускорению данного резонатора. Следствия 10 этого будут выведены в дальнейшем.Обратившись снова к фиг. 1, напомним, как частота колебаний резонато.ра 3 может быть скорректирована путем последовательного подключения ем кости, Для этого представлена эквивалентная электрическая схема резонатора 3 и структура переменного корректирующего конденсатора 1. Последовательная резонансная цепь, состоящая из сопротивления Й , катушки индуктивности . и конденсатора С , эквивалентная пьезоэлектрическому кристаллу и конденсатору С, имеет между э лектродами емкость. С - величина ем 25 кости конденсатораСледует напомнить, что сдвиг по частоте дГ , вызванный включением емкости С, выражается следующимнием: уравне- +((3)Ес с,ф 56;В качестве примера для такого кварца, который уже был рассмотрен и который имеет номинальную частоту ко лебаний, равную Р =5,10 Гц, допустим.ьследующие приближенные величины:С=10 ФЯ = 100 Ом- 10 Гн40Сд= 4,10" ФЕсли величина емкости С выше, чем величина емкости Сб, уравнение (3) становится в первом приближении: 451(РофС 1)Действительно, чтобы обеспечить точную коррекцию частоты, конденсатор 1 емкости С должен по-существу состоять из двух параллельных конден саторов, одного с емкостью Сд и другого переменного с емкостью С, причем емкость С значительно больше емкости С. В этом случае уравнение (4) принимает следующий вид: 55д 1 с,Р (С, +С+ С(5) а корректирующая чувствительность становится тогда:дс46сдй=-Ь С, с,с (6)О 1 Ъ б(дц- -дс (7)Таким образом, все вышесказанноедоказывает пригодность настоящей конструкции: переменного конденсатора, соединенного последовательно срезонатором и средств регулированияемкости этого конденсатора соответственно величине ускорения,для компенсации изменений частоты названного резонатора,вызванных упомянутым ускорением.Можно, например, регулировать геометрический параметр в пределах степенисвободы движения(поверхность или расстояние между пластинами),который оказывает воздействие на переменную емкость конденсатора соответственно величине сигнала, посылаемого датчикомускорения. Изобретение предусматриваетпростое и эффективное решение, которое состоит в возможности подсоединения датчика к переменному конденсатору посредством крепления его подвижной пластины спомощью упругоговозвратного органа,Согласно первому Варианту испол"нения изобретения, принимая за М массу подвижной пластины и зажесткость возвратной пружины, отмечаютлинейное изменение параметра в зависимости от ускоренияПо показателям чувствительности кускорению и .с целью облегчения изготовления за регулируемый параметрберут расстояние между пластинами.Что касается упругих возвратныхсредств, то можно, например, применять объем газа, заключенного междупластинами, и герметичную упругуюоболочку, Однако значительно прощеприменять подвеску на упругих пластинах, такую, которая показана нафиг. 3 и 4.Неподвижная арматура 10 конденсатора емкости С приклеивается на изоляционную основу 11; продолжениемкоторой является плечо 12. Подвижнаяарматура 13, параллельная арматуре10, представляет собою пластину изупругого токопроводящего материала,например, из сплава никеля, продолжением которой служат две пластины14,.обладающие жесткостью )., которые нависают над плечом 12 и в которых выполнены продольные пазы 15.Шлифты 16 зажимают плечи 12 и поддерживают пластины 14 в пазах, в которые они вставляются концами с винтовой нарезкой 17, на которые навинчиваются зажимные гайки 18.Пластина 19 из изоляционного материала приклеивается на арматуру13 и выполняет роль дополнительногогруза массы И .Пластины арматуры 10 и 13 соответственно подсоединяютсяпроводниками20 и 21, проходящими через элементы11 и 19 к выводам 22 и 23.Переменная емкость С конденсатора, структура которой показана наФиг. 3 и 4, выражается по классической формуле:где йб - диэлектрическая проницаемость вакуума, равная8,84.10 ф/м;5 - поверхность сопротивленияарматур;в "Расстояние между арматурами.Поскольку механические связи симметричны, ъ практически не изменяет" ся только Е изменяется линейно в зависимости от ускорения. Если направление вектора К известно, например, в результате предварительного определения коэффициентов Кх,К и К урав нения (1) получают конденсатор, пластины которого перпендикулярны названному вектору.По уравнению (8) величинасо" (5 ставляющейв направлении К такова, что она вызывает изменение ЗЕ расстояния Е и приводит к изменению емкости: (ебс:-Е - -, (9) 2 Ои (с (е (10)Но при данной массе груза 19 (масса пластины 13 не принимается во внимание) и данной жесткости 1 гибких пружин, состоящих из пластин 14:25ДЕ юг (11)откуда дС -г (12) таким образом, сравнивая уравнения (7) и (12), видим, что:сдт) - С- (.13)Следовательно, можно получить с помощью переменного конденсатора на упругой подвеске (фиг. 3 и 4), определив соответственно его геометрические и механические параметры (расстояние между арматурами, поверхность З 5 соприкосновения, жесткость пластин), за счет конструкции или регулирующих органов (не представленных на фиг.3 и 4) практически точную компенсацию сдвига по частоте вызываемого ускорения, воздействующими на генератор.Согласно второму варианту исполнения изобретения, компенсации сдвига по частоте, вызываемого ускорением, которому подвергается генератор, абсолютно точная.Из уравнения (5) выводят чувствительность коррекции, Щв,) 50 а также из уравнения (2):с(а):а(К) (15)Иэ двух предыдущих уравнений следует что компенсация акселерометрических эффектов переменной емкостью С является не чисто линейной в связи с нелинейностью ряда в зависимости от С в знаменателе уравнения (14) . Таким образом закон общего изменения зависит, с одной стороны, от 46 закона изменения частоты в зависимости от емкости С переменного конденсатора 1 и, с другой стороны, от закона изменения емкости С в зависи.мости от ускорения, 65 Как уже говорилось, этот послед" ний закон зависит по существу от геометрических параметров, а именноот расстояния Е и поверхностиарматур емкости С, который выводится из уравнения (8). Отсюда выводится изменение емкости:с(с - - ( -оз -уое(16)Аналогично первому варианту, из соображений облегчения изготовления,принимают во внимание только один параметр Е или 9, изменение которого (нелинейное) корректирует форму электродов емкости СЗ с целью точной компенсации линейного изменения отклонения по частоте резонатора, вызываемого ускорением.Согласно второму варианту исполнения, представленному на фиг, 5, емкость 0 изменяется в зависимости от поверхности В с помощью гибкой пластины 24, один из концов которой жестко закреплен, между тем как другой конец крепится продольно, к однойиз арматур 25 конденсатора емкостиС. Эта подвижная арматура 25 прямоугольной параллелепипедной формы имеет при постоянном расстоянии 3 проектируемую часть 5 своей поверхности, находящуюся против другой неподвижной арматруры 26, Арматура 26 имеет профиль Р (ц) на каждом из своих поперечных краев, симметричных по отношению к средней поперечной плоскости подвижной арматуры 25, форма которой позволяет компенсировать эффектнелинейности.Неподвижная пластина 26 изолирована от подвижной пластины 25 и подвижная пластина 25 накладывается на пластину 24 с помощью системы крепления, например, аналогичной системе,описанной по первому варианту исполнения, представленному на фиг. 3 (элементы 12,15,17 и 18) .На фиг. 6 изображен контур поверхности неподвижной пластины 26, ограниченный поперечными краями профилей Р (О), симметричных по отношению к оси ОО, перпендикулярной к пластине 24 и параллельной вектору К чувствительности к ускорению, направление которого предполагается известным. В этом случае, обозначив через массу подвижной арматуры 25, выполчяющую функцию груза, и черезсоставляющую вектора ускорениясогласно направлению К, основное уравнениединамики относительно малого пеемещения арматуры 25 в направлении(17) где ). - коэффициент жесткости пластины 24 (кг/с 1)Из уравнений (14) и (17) теперь можно вывести профиль Р (О), обеспе(27) С=С +С+СВ качестве неограничительного при,мера на фиг. 7 показана форма профиля неподвижной пластины 26 переменного конденсатора с регулирующей емкостью С при следующих значениях:101 ф С 5 10 ф 1 Ф С,1 20 10 уф Г=5. 10 Гц,)с =10 ньютон/му М =5.10 3 сг;6 =10 ф му точка покоя 5 о =10 м р (Оо -К) = =3.10 м.Из предыдущих уравнений (18) и (21) в (25) выводят:(С 1)о =0,884.10Ф.А =1,768.10 м-рЬ =2, 82. 10 4 м 11Р( ои таблицу следующих значений; э(О =д(о- к),1. Электрический генератор с последовательной цепью возбуждения колебаний, содержащий емкость, регулирующую частоту колебаний, состоящую по крайней мере из одного переменного конденсатора, одна из пластин которого соединена с выходом цепи, пьезоэлектрический кварцевый резонатор, один из зажимов которого соединен с другой пластиной конденсатора, и усилитель, вход которого связан с другим зажимом резонатора, а выходс выходом последовательной цепи, и схему согласования по уровню сигнала колебаний, посылаемого укаэанной цепью, связанную своим входом с выходом уйомянутой цепи, о т л ич а юи й -с я тем, что, с целью повышея стабильности частоты электричес(2 б эо)С,.),= Ео5ь щни чивающий компенсацию эффектов нелинейности и определяемый оЪ11 Р(0)сО(18) 5О-2где Ъ и О означают толщину и координаты средней точки подвижной пластины 25.Подставляя вместо данногос( уравнения (17) в уравнение (15) и вырарив Все через уравнение (16), получают уравнение (14) в следующем виде:" 1М Еоз1 Со+С +, )Предыдущее дифференциальное уравнение, выражающее функцию 5 в зависимости от изменений О, записывается 2 О в следующем виде:Д 5О= - , (20) гдеи В - постоянные, такие, как:я:м"ск л с, (21)и с25 ийи (22)о Интегрируя уравнение (20),получаем Я ггде К - постоянная интегрирования, найденная из первоначальных условий при нулевом ускорении, т.е. в зависимости от поверхности 5 о в точке покоя 0 о подвижной пластинки 25: офиль Р (0) в этом случиз производной функциенной по уравнению (23РМ:Ао- ко Из предыдущего уравнения (25) оказывается, что сначала производят коррекцию номинального значения ем- О кости С , такого как: и что при ускоренииперемещение с(0 массы М пластины 25 позволит повысит точность компенсации нелинейности.Согласно другим вариантам исполнения изобретения, вектор К не известен, Вычисление показывает, что компенсация может быть осуществлена с помощью трех переменных конденсаторов упомянутого типа, включенных параллельно между собою и последовательно с резонатором, и расположенных соответственно так, что перемещение их подвижных пластин было бы параллельно трем основным осям ОХ, ОУ, 02 пьезокристалла 8 резонатора 3.На фиг. 8 расположение пластин арматуры 13 и 14 всех трех переменных конденсаторов С 11,СЭ и СЪ поверхности которых перпендикулярны трем осям ОХ, ОУ и ОЕ соответственно, представлено схематически согласно упомянутому примеру первого варианта исполнения.На фиг. 9, наоборот поверхности пластин 26 и 25 всех трех переменных конденсаторов С 1, СЭ и С расположены параллельйо и на соответствующем постоянном расстоянии 1 от осей ОХ, ОУ и 02 соответственно, согласно упомянутому примеру второго варианта исполненияВ том и другом предыдущих случаях емкость конденсатора равна:ких колебаний при действии ускорения, он содержит устройство, чувствительное к ускорению, которому подвергается генератор, механически связанное с неподвижной и подвижной арматурой переменного конденсатора соответствен- з ио степени свободы движения.2. Генератор по и. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что устройство, чувствительное к ускорению, представляет собою упругий возвратный элемент подвижной арматуры соответствен-но степени свободы движения.3. Генератор по п. 2, о т л и ч аю щ и й с я .тем, что указанный переменный конденсатор имеет переменное расстояние между пластинами, а уп ругий возвратный элемент состоит из гибких пластин, которые закреплены на арматуре, установленной пареллельно и с возможностью перемещения в сторону неподвижной арматуры перемен- Щ ного конденсатора.4. Генератор по пп. 2 и 3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что направление движения перемещения подвижной арматуры переменного конденсатора парал-. лельно вектору чувствительности кускорению пьезоэлектрического кристалла резонатора. 5. Генератор по пп. 2 и 3, о тл и чающий с ятем, что указанная переменная емкость состоит нзтрех переменных конденсаторов, которые содержат каждый одно устройство, чувствительное к ускорению ик упругому возврату их подвижной арматуры, которые электрически соединены параллельно между собой и последовательно с резонатором, и направления движения перемещения подвижныхарматур которых соответственно параллельны трем основным осям пьезоэлектрического кристалла резонатора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Малогабаритная радиоаппаратура,Справочник радиолюбителя, Киев,Наукова Думка, 1976, с. 341-345.ьергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Ь., Иностранная литератураф, 1956, с. 98113,869570 Составитель В. ВавеТехред А.Савка Пономаренко Корре каз 8372/8 Н 1130 П "Патентф, г. Ужгород,ектная,лиал едактор Н. Кол гфрюию, У Тираж 787ПИ Государственного коделам изобретений и оМосква, Ж, Раушская Подписномитета СССРкрытийнаб., д. 4/