Пьезоэлектрический преобразователь давления и температуры

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий автогенератор, два преобразователя аналог-код, выходы которых подключены к входам вычислительного блока, соединенного с блоком памяти, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере.ния исследуемых параметров путем.улучшения степени взаимодействия чувствительного элемента с контролируемой средой, в него введены два усилителя, два фазовых детектора и двухотводная ультразвуко вая линия задержки на объемных акустических волнах, используемая в качестве чувствительного элемента, излучающий преобразователь которой соединен с выходом автогенератора, а приемные преобразователи соответственно через усилители подключены к первым входам фазовых детекторов, входы которых подключены к выходу автогенератора, а выходы под (Л ключены соответственно к входам преобразователей аналог-код. / СО о к fl ta

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ()1) 21 А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3777545/24-10 (22) 14.06.84 (46) 07.11.85.Áþë. К 41 (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им.Н.Е.Н<уковского (72) В.Я. Баржин, Ф.Ф.Колпаков,,Е.А.Милькевич и А.Е.Сычев (53) 536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 851121, кл. G 01 К 7/32, 1979.

Авторское свидетельство СССР

9 777777448822, кл . G О1 К 7/32, 1979. (54) (57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий автогенератор, два преобразователя аналог-код, выходы которых подключены к входам вычислительного блока, соединенного с блоком памяти, отличающийся (я)4001 К7 32 GOI Ь 1/16 тем, что, с целью повышения точности измерения исследуемых парамет- ров путем улучшенгя степени взаимодействия чувствительного элемента с контролируемой средой, в него введены два усилителя, два фазовых детектора и двухотводная ультразвуковая линия задержки на объемных акустических волнах, используемая в качестве чувствительного элемента, излучающий преобразователь которой соединен с выходом автогенератора, а приемные преобразователи соответственно через усилители подключены к первым входам фазовых детекторов, в-орые входы которых подключены к выходу автогенератора, а выходы подключены соответственно к входам преобразователей аналог-код.

1190210

Изобретение относится к технике электрических измерений и может быть использовано для измерения давления и температуры газообразных или жидких сред. 5

Цель изобретения — повьш ение точности измерения исследуемых параметров путем улучшения степени вэаимодей— ствия чувствительного элемента с контролируемой средой. 10

1!а чертеже представлена функциоIIanI »IIII схема пьезоэлектрического преобразователя, предназначенного для измерения двух физических парамет—

poII контролируемой среды — давления P15

I :. р;гуры Т,, г п«ова гель содержит высоко— с: бп:.г,пы|г, например, кварцевый авто г ператор 1 с пьезорезонатором 2, двухотIIogIIye ультразвуковую линию 3 р0 задержки (УЛЗ ) на объемных акустических волнах с излучающим 4 и двумя приемными 5 и б преобразователями, помещенную в контролируемую среду

7, два фазостабильных усилителя 8 и д

9>два фазовых детектора 10 и 11, два аналого-цифровых преобразователя (ЛЦП ) 12 и 13, вычислительный блок

14 и блок 15 памяти.

В качестве двухотводной ультразвуковой линии задержки — чувствительного элемента преобразователя, используется интегральная линия, в ко арой в едином аниэотропном монокристаллическом звукопроводе фор- 35 мируются два канала распространения объемных акустических волн. Двух— отводная УЛЗ, использующая объемные акустические волны, содержит звукопровод и закрепленные íà не» из- 40 лучающий и приемные преобразователи, представляющие собой пьезоэлектрические пластинки с нанесенными на гпгх электродами, причем конструкции приемных и излучающих преобразо- 45 вателей отличаются лишь выполнением электродов. Каждый из приемных преобразователей содержит два сплошных тонкопленочных электрода, нанесенных на противоположнь. широкие грани 50 пьезоэлектрических пластин. B излучающем преобразователе с целью формировагшя многолепестковой диаграммы направленности один из .электродов выполняется сплошным, а другой дела- 55 ется в виде решетки, причем выбор расстояния между элементами этой решетки и ширина элементов полностью определяют число лепестков диаграммы направленности излучающего преоб— разователя и углы между лепестками этой диаграммы. Приемные преобразователи 5 и 6 УЛЗ крепятся на эвукопроводе в направлениях максимумов лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя 4.

Матерггал звукопровода УЛЗ 3 SIo I— жен обеспечивать высокую чувствительность величины задержки 7, обеспечиваемой линией 3, к изменениям контролируемых давления Р и температуры Т, постоянство этих коэффициентов чувствительности в диаггазо— нах изменения Р и Т и анизотропию свойств звукопровода в направлениях максимумов лепестков диаграммы направленности излучающего преобразо— вателя 4. Всем этим требованиям в наибольшей степени соответстгзуют звукопроводы, изготавливаемые из температурно-чувствительного монокристаллического кварца LC-среза, которые обладают постоянным температурным коэффициентом задержки во всем диапазоне измеряемых температур, а значит и линейной зависимостью фазы проходящего через линию сигнала от температуры Т. Таким же свойством обладает и зависимость фазы проходящего через линию сигнала от давления Р, так как при всестороннем сжатии кварцевого звукопровода УЛЗ измеряемым давлением Р, благодаря хорошим упругим свойствам кварца, согласно закону Гука пропорционально прикладываемому к звукопроводу дав-лению изменяются механические напряжения в этом звукопроводе, а значит изменяются соответственно и механические свойства звукопровода. Это приводит к изменениям задержек, обеспечиваемых линией в направлениях максимумов диаграммы направленности излучающего преобразователя 3, а значит и к вариациям фаз принимаемых преобразователями 5 и 6 сигналов, причем эти вариации для различных лепестков диаграммы направленности вследствии анизотропии свойств кварца различные.

Пьезоэлектрический преобразователь давления и температуры работает следующим образом.

Лвтогенератор вырабатывает высокостабильный сигнал с постоянной частотой ць и начальной фазой

I 190210

IO где у

° ю и х1 и х2 а„„и а12

3 а именно U =U Ы+ t+g ) Этот сиг,г ъ о в нал поступает на излучаюший преобразователь 4 двухотводной УЛЗ 3. При этом на выходах приемных преобразователей 5 и 6 возникают сигналы одинаковых частот, но с различными фазовыми набегами:

0 =U зФл(й t+Y У

hi Ill1 0 0 Bi/

0„ =0„, sin(g t+V+g ) () где 1,„и Ч вЂ” фазовые набеги сигналов на выходах приемных преобразователей 5 и 6, определяемые свойствами кварцевого звукопровода в направлениях максимумов лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя, соответствующие начальным значениям давления P и темо пературы Тр контролируемой среды.

В процессе изменения температуры

Т и давления P контролируемой среды

7 изменяются свойства кварцевого звукопровода УЛЗ 3, который находится непосредственно в контакте с измеряемой средой 7, причем из-за анизотропии свойств кварца параметры звукопровода в направлениях максимумов каждого из лепестков диаграммы направленности излучающего преобразователя 4 получат различные по величине приращения. В результате система уравнений (I ) для случая, когда давление принимает значение Р=Р +ЬР о а температура Т=Т + 5Т, перепишется в виде 35

О„„=U „ala(X <+Ч + Ч „Ф К„,бР+К АТ)

=0 ь1п(ы +Ч q + а К т), где К„=, К 2Р = — -коэффициен- Фо

2Р ты фазовой чувствительности сигналов U „ è U 2 по давлению P sa счет изменения параметров звукопровода в направлении максимумов 4 первого и второго лепестков, соответственно, диаграммы направленности излу чающего преобразователя 4:

av„„av„, ты фазовой чувствительности сигналов U>i и U 2по тем

llÕ пературе Т за счет изменения параметров материала звукопровода от температуры Т в направлениях максимумов первого и второго ле4 пестков, соответственно, ди" аграммы направленности излучающего преобразователя

4.

При этом благодаря использованию для материала звукопровода кварца .ЬС-среза, взаимозависимость коэффи,циентов К„,, К, и K K„ - из-за влияния температуры на силовую чувствительность и давления на температурную чувствительность незначительна.

Сигналы Б„„ и 0„2через фаэостабильные усилители 8 и 9, не вносящие дополнительных фазовых сдвигов, поступают на первые входы фазовых детекторов 10 и II соответственно, причем на вторые входы этих детекторов при этом поступает высокостабильный сигнал U 2 =U з1Фi(м 1+Ч,)с выхода автогенератора 1.

Поскольку на входы кажцого из фазовых детекторов поступают сигналы

U>„, U „H U>» U<2 соответственно, с одинаковыми частотами, но различными фазами, то на выходах фазовых детекторов получаем сигналы в виде изменяющихся постоянных напряжений U<„ e О2, уровни которых пропорциональны изменяющимся в процессе варьирования P и Т временам задержки тi и Т сигналов U u U

1 2 ЛФ п2 в звукопроводе УЛЗ 3

Ф1 ФФ(Ы в Ф1 М Ф где К „, КФ, — крутизны характеристик преобразования фазовых детекторов 10 и 11 соответственно.

Сигналы U „и U 2 с выходо в фа зовых детекторов поступают на входы

АЦП 12 и 13, где преобразуются в кодовые сигналы вида с у„=у„о + а,и x + а ъх2

У 2 У20+ a2„x „+ а22х 2 (4) цифровые значения величин К „Ч„„и Кф2Ч„2 соответственно; цифровые значения сигналов U@ v U,, цифровые значения величин ьР и йТ соответственно цифровые значения величин

KIH Kia " K4„Kite! 1 90210

Составитель В. Куликов

Редактор Н,Бобкова ТехредЛ.Мартяшова I(oppeKTop Е .Сирохман

Заказ 6963/43 Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,11осква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 а и а - соответственно цифро21 22 вые значения величин

КИ Кгри К 2

Так как цифровые сигналы у„ и у с" выходов АЦП 12 и 13 поступают на входы вычислительного блока 14, который должен решать систему уравнений (4 ) определяя цифровые величины и знаки приращения A P и д Т изме- )б ряемых давлений P и температуры Т то для определения величин коэффициа11 а12 а2 а22

21 у1о и у2 которые неОбходимо знать

2о для решения системы уравнений (4 ), в постоянную память блока 15 памяти необходимо внести цифровые значения измеренных на этапе наладки устройства величин К „, Кф2, К1,, К, I(1ò К2т а r aKzce величины п1и Уп2 про- 20 порциональные начальным значениям давления Р и температуры Т„, информация о которых в цифровом виде также должна содержаться в блоке 15 памяти. 25

Поскольку, благодаря анизотропии свойств кварца, коэффициенты чувствительности К„, K и К„, К во всем

17 2т диапазоне изменения давления P и температуры Т удовлетворяют соотношениям ь.„о = Lo«sc Ф (gp=consgf К1т = cons +

Ф К 2т =- cons, то уравнения системы (4) всегда независимы, а сама система

1 всегда разрешима относительно нскомых сигналов х, х

В связи с этим, вичислительный блок

14 с учетом информации, записанной в блоке памяти, решает систему (4 ) следующим образом. (4 171 () где Х вЂ” вектор искомых сигналов;

Y = I >q îi 2 zo I вектор выходных сигналов АЦП 12 и 13 с учетом вектоА — матрица обратная матрице

2< 22, Таким образом из уравнения 5 вид но, что вычислптельный блок, который может папример,быть реализован на основе микро-ЗВИ на основе имеющейся информации осуществляет вычисление матрицы А и обращает ее ° Далее эта матрица А умножается на вектор (= (— (и полученные цифровые

0 оценки у„и у2 приращений давлепия P и температуры Т контролируемой среды суммируются с учетом их знаков с цифровыми оценками начальных значений давления P и темперао туры Т

В результате на выходе преобразователя получаем информацию в виде двоичных кодов N(P) и N(T) о текущих значениях давления и температуры в контролируемой среде.