Датчик перемещений

 

ДАТЧИК nEPEMEIltEHHR по авт. св. 7279,7€, о т л и ч а то щ и и с я тем, что, с целью повыиения точности измерений и одновременного измерения температуры, он снабжен включенными соответственно между выходом электронного возбудителя , суммирующим и вычитающим входами регистратора последовательно соединенными пс1ЛосОвым фильтром и усилителем высокой частоты и фильт ром низких частот и вторым усилителем высокой частоты, а электронный возбудитель выполнен и виде :flByknacTOTHOro автогенератора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

ЭйЬЗ

РЕСПУБЛИК

3(5В 01 В 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 727976 .(21) .3421482/18-28 (22) 09.04 82 (46) 15.12.83. Бюл. Р 46

ГОСУДАРСПЗЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (72) В.Я.Баржин, Ф.Ф.Колпаков, Е.A.Èèëüêåâè÷ и A.Е.Сычев .. (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е.Жуков-. ского (53) 621.317.39г531.717 (088.8) (56) 1. йвторское свидетельство СССР

9 727976, кл. Q 01 В 7/00, 1980 (прототип).,SU„„1060932 А (54)(57) ДйТЧИК ПЕРЕМЕВ(ЕНИИ по авт.

"св. В 727976, о т л и ч а ю щ и йс я тем,,что, с целью повиаения точности измерений и одновременного .измерения температуры, он снабжен включенными соответственно между выходом электронного возбудителя, суммирукщим и вычитающим входами .регистратора последовательно соединенными полосовым фильтром и усилителем высокой частоты и фильт ром низких частот и вторым усилителем высокой частоты, а электронный возбудитель выполнен s виде

,двухчастотного автогенератора.

1060932

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для точного измерения перемещений и температуры.

По основному авт. св. 9 727976 известен датчик перемещений, содержащий пьезоэлемент с двумя электродами, включенными в схему электронного возбудителя и регистратор, причем один из электродов жестко закреплен на пьезоэлементе и выпол- 10 нен переменной толщины, а второй электрод установлен с возможностью перемецений вдоль поверхности пьезоэлемента 513.

Недостаток известного устройства состоит в йезависимости измерения температуры и невысокой точности измерения перемещений из-за малой крутизны преобразования перемещение-частота и суцественной температурной погрешности.

Цель изобретения — повышение точности измерений и одновременное измерение температуры.

Указанная цель достигается тем, что датчик перемещения снабжен включенными соответственно между выходом электронного. возбудителя, суммируюцим и вычитающим входами регистратора последовательно соединенными полосовым фильтром и усилителем высокой частоты, и фильтром низких частот и вторым усилителем высокой частоты, а электронный возбудитель выполнен в виде двухчастотного автогененатора.

На фиг. 1 представлена функцио"; 35 нальная схема датчика перемещенийр на фиг. 2 - спектр колебаний, получаемых на выходе автогенератора; на фиг. 3 — принцип формирования ха" рактеристики преобразования пере- 40 мещение-частота датчика перемещений.

Датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, электроды 2 и 3 которо го включены к входам электронного возбудителя 4, причем электрод.2 жестко закреплен на пьезоэлементе 1 и выполнен переменной толщины, в данном случае имеет форму ступеньки, а электрод 3 установлен с возможностью первмецения вдоль поверхности пьезоэлемента 1.

Датчик перемещений снабжен вклю ченными соответственно мЕжду выходом электронного двухчастотного автогенератора 4 и суммирующим 55 и вычитающим входами регистратора 5 последовательно соединенными полосовым фильтром 6, и усилителем 7 высокой частоты и фильтром 8 низких частот и вторым усилителем 9 высокой частоты, а электронный воз- будитель .выполнен в виде двухчас-.îòíîãî автогенератора 4.

Устройство работает следующим образом. 65

B исходном состоянии подвиж ный электрод 3 пьезоэлемента 1 установлен так, чтобы его плоскость симметрии проходила вдоль плоскости раздела неподвижного электрода 2 на две разнотолщинные части одинаковой формы и площади.

В пьезоэлементе 1 возникают два ангармонических колебания, причем вследствие эффекта захвата.энергии, энергия одного из них в основном сосредоточена между электродом

3 и перекрывающейся с ним частью электрода 2 меньшей толщины (частота ы ), а энергия второго сосредоточена в основном между электродами 3 и перекрывающейся с ним более . толстой частью электрода 2 (частота w„l . Разность между частотами ш и и 2 определяется раз1 ностью масс вышеупомянутых разнотолщинных частей электрода 2, перекрывающихся площадью подвижного электрода 3, т.е. находящихся в активных зонах каждого из колебаний.

Поскольку обеспечивающий одновременно генерацию колебаний с частотами иг„и w2 двухчастотный автогенератор 4 содержит активный нелинейный элемент — транзистор, то в спектре выходного сигнала этого генератора присутствуют составляющие с частотами mal<+ пм, где m„è ицелые числа. При этом максимальные амплитуды имеют составляющие спектра выходного сигнала с разностной частотой м = м - wq (фиг. 2! и с суммарной частотой с- wi+ w2 которые можно легко выделить с помоцью фильтра 8 низких частот и по- . лосового фильтра б соответственно.

Далее усиленные с помощью усилителей

7 и 9 высокой частоты сигналы разностной и суммарной частот поступают на входы регистратора 5.

Так как в исходном состоянии перемещение д8 = О, подвижный. электрод 3 пьезоэлемента 1 установлен симметрично относительно границы раздела электрода 2 на две разнотолщинные части, то при отклонении элек трода 3 вправо увеличивается масса электрода 2 в активной зоне колебаний с резонансной частотой ог„ и эта частота уменьшается по величине (фиг. 3), в то же время уменьшается масса электрода 2 в активной зоне колебаний с резонансной частотой мг, которая соответственно растет (фиг. 3 ), т.е. частоты ы„и ы при изменении величины перемецени1 изменяются в противоположные стороны. аналогичная картина наблюдается при отклонении подвижного электрода 3 влево, когда частоты 1 и ш движутся по шкале частот навстречу друг другу (фиг. 3). В результате при

1060932

0 уф= 1 ?Г 1

Составитель A.Чистяков

Редактор В.Ковтун Техред.Т.Фанта Корректор О.Билак.

Заказ 10024/41 Тираж 602 Подписное

ВН??ИП?1 ГосударственногО комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

°

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 одинаковых отклонениях + ь И электрода

3 относительно своего исходного положения в датчике перемещений полу чим в два раза большее, чем в известном, абсолютное отклонение (ашр = ьш., + dw информационной разностной частоты . wp . A относительное отклонение частоты информационного сигнала awp/ p при этом может быть в десятки и сотни раз больше, чем в известном, т.е. 10 на один-два порядка вырастет крутиз на, а значит и точность преобразоваиия перемещение-частота. Причем изменением соотношения толщин разно. толщинных частей электрода 2 в про- 5 цессе реализации пьезоэлектрической колебательной системы крутизну можно регулировать довыбирать ) в широ- ких пределах, и эффективность этой регулировки также в десятки раз.выше, чем в прототипе.

Что касается суммарной частоты

Ы, выделяемой на выходе полосового фильтра б, то вариации величины перемещения подвижного электрода 3 не вызывают ее изменения, поскольку частоты со„и ы2 вследствие симметричности пьезоэлектрической колебательной системы относительно исходного положения электрода 3 получают одинаковые по величине и проти. воположнйе по знаку приращения . В то же время при изменении температуры Т окружающей среды частоты ш и ш2 получают приращения, одинаковые по знаку и близкие по вели- 35 чине, поскольку температурно-частотные характеристики для обоих колебаний оказываются практически одинаковыми, так как области этих однотипных колебаниЯ существуют в одном и том же монокристалле пьезоэлектрика, а частоты колебаний дос- таточно близки друг другу. Очевидно, что при этих условиях температурные приращения частот ш и w2 практи1 чески не влияют на величйну разностной частоты ш, которая несет информацию о перемещениях, а значит не влияют эти приращения на точность определения перемещений. Температурные приращения частот ш и

ui2 определяют только лишь изменения суммарной частоты шс= iи„+ w2 что и позволяет разделить ийформацию о перемещениях и о температуре. В результате на разностный вход регистратора 5 поступает ревностная частота и Р, изменения которой соответствуют вариациям перемещения +.аР электрода 3 пьезоэлектрической колебательной системы, а на суммирующий вход регистратора 5 поступает суммарная частота ш, изменения которой несут информацию о вариациях температуры Т среды, в которую помещена эта пьезоэлектрическая колебательная система.

Таким образом, предлагаемый датчик перемещений позволит использовать его для измерения микроперемещений, а также благодаря возможности одновременного измерения температуры, значительно расширит его функциональные возможности