Датчик перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений. Предлагаемый датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, первый двухсекционный электрод 2 которого выполнен переменной толщины и включен в схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьезоэлемента 1 установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности этого пьезоэлемента 1 и также выполнен двухсекционным, причем первая секция 6 подвижного электрода 5 подключена к схеме первого двухчастотного автогенератора 3, а вторая секция 7 подвижного электрода 5 - к схеме второго двухчастотного автогенератора 4. Выход первого двухчастотного автогенератора 3 через последовательно соединенные полосовой фильтр 8 и первый усилитель высокой частоты 9 подключен к первому выходу датчика (данные температуры), а через последовательно соединенные первый фильтр нижних частот 10 и второй усилитель высокой частоты 11 - к первому входу смесителя 12, связанного своим выходом через второй фильтр нижних частот 13 с вторым выходом датчика (данные о перемещении). Выход второго двухчастотного автогенератора 4 через последовательно соединенные третий фильтр нижних частот 14 и третий усилитель высокой частоты 15 подсоединен к второму входу смесителя 13. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

1,511 4 С 01 В 17/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В .:СОЮЗНАЯ

Пцй! 4" ЫИИ

Е «1БА11Q i1,д

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4323317/25-28 (22) 02.11 .87 (46) 07.04.89 ° Бюл. К- 13 (71) Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта им. С.М. Кирова (72) Г Я. Безлюдько, Е.А. Милькевич, П.Ф. Поляков и Н .П . Селиверстова (53) 534. 232 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 727976, кл, G 01 В 7/00, 1 980.

Авторское свидетельство СССР

У 1060932, кл. G О1 В 7/00, 1983. (54) ДАТЧИК ПЕРЕМЕШЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точного измерения перемещений. Предлагаемый датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, первый двухсекционный электрод 2 которого ,выполнен переменной толщины и вклю,чен в схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьезоэлемента 1 установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности этого

„„SU„„1471068 А1 пьезоэлемента 1 и также выполнен двухсекционным, причем первая секция 6 подвижного электрода 5 подключена к схеме первого двухчастотного автогенератора 3, а вторая секция.7 подвижного электрода 5 — к схеме второгб двухчастотного автогенератора 4. Выход первого двухчастотного автогенератора 3 через последовательно соединенные полосовой фипьтр 8 и первый .усилитель высокой частоты 9 подключен к первому выходу датчика (данные температурь,. а через последовательно соединенные первый фильтр нижних частот )О и второй усилитель высокой частоты 11 — к первому входу сме- Я сителя 1 2, связанного своим выходом через второй фильтр нижних частот 13 . с вторым выходом датчика (данные о перемещении), Выход второго двухчастотного автогенератора 4 через последовательно соединенные третий фильтр нижних частот !4 и третий усилитель.высокой частоты 15 подсоединен к второму входу смесителя 13. 4Ь

3 ил. 3

1471 068

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

Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений.

На фиг. 1 приведена функциональная схема датчика перемещений1 на фиг .2 и 3 — спектры колебаний, получаемых на выходах соответственно первого и второго двухчастотных автогенераторов.

Датчик перемещений содержит пьезоэлемент 1, первый двухсекционный неподвижный электрод 2 которого выполнен переменной толщины и включен в схемы двухчастотных автогенераторов 3 и 4. Второй электрод 5 пьезо- 20 элемента 1 установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности, этого пьезоэлемента 1 а также выполнен .двухсекционным, причем первая секция

6 подвижного электрода 5 подключена к схеме первого двухчастотного автогенератора 3, а вторая секция 7 подвижного электрода 5. — к схеме второго двухчастотного автогенератора 4, Выход первого двухчастотного ЗО автогенератора 3 через последовательно соединенные полосовой фильтр, 8 и первый усилитель 9 высокой частоты подключен к первому выходу датчика, а через последовательно соединенные первый фильтр 10 нижних частот и второй усилитель 11 высокой частоты - к первому входу смесителя 12, связанного выходом через второй фильтр 13 нижних частот с вторым вы- 40 ходом датчика. Выход второго двухчастотного автогенератора 4 через последовательно соединенные третий фильтр 14 нижних частот и третий усилитель 15 высокой частоты подсо- 45 единен к второму входу смесителя 12.

Датчик перемещений работает следующим образом.

В исходном состоянии при нулевых перемещениях подвижного электрода 5 пьезоэлемента 1 этот электрод установлен так, что его плоскость симметрии проходит вдоль границы раздела неподвижного электрода 2 на две разнотолщинные двухступенчатые секции одинаковой площади, но различного объема. Причем каждая из, двух" ступенчатых разнотолщинных секций неподвижного электрода 2 отличается от другой толщиной своих ступенек, а по площади все четыре ступеньки электрода 2 одинаковы, Симметрично относительно центра симметрии каждой из двухступенчатых половин неподвижного электрода 2 в исходном состояе нии устанавливаются секции 6 и 7 подвижного электрода 5. Благодаря многоступенчатой конструкции неподвижного электрода 2 пьезоэлемента

1 ч предлагаемой колебательной системе при ее включении в схему многочастотного автогенератора оказывается возможным одновременное возбуждение нескольких достаточно интенсивных ангармонических колебаний, число которых в данном случае равно числу ступенек тонкопленочного электрода 2.

В результате этого на частотах, зависящих от толшины активной зоны пьезоэлемента 1 и пропорциональных величин 1/0,25а, где а — размер электрода 2, в пьезоэлементе 1 возникают четыре ангармонических колебания с частотами Я, — Я . Вследствие эффекта захвата энергии энергия первого из них с. частотой Я, в основном сосредоточена между первой секцией 6 подвижного электрода 5 и перекрывающейся с ней частью электроды 2 наименьшей толщины. Энергия второго колебания с частотой 43 сосредоточена между секцией 6 подвижного электрода 5 и второй половиной левой секции электрода 2 переменной толщины, Энергия третьего. колебания с частотой Q сосредоточена в области пьеЪ зоэлемента 1 между правой секцией 7 подвижного электрода 5 и наиболее толстой частью электрода 2 переменной толщины. Энергия четвертого колебания с частотой я сосредоточена в теле пьезоэлемента 1 в основном между секцией 7 подвижного электрода

5. и правой половиной второй секции электрода 2 переменной толщины. Разнос между частотами И, -Я четырех ангармонических колебаний определяется разностью масс разнотолщинных частей электрода 2, перекрывающихся в каждый момент времени поверхностями правой и левой!секций 6 и 7 подвижного электрода 5. Это связано с тем,,что в областях пьезоэлемента

1, находящихся между взаимно перекрывающимися областями электродов 6,7 и 2, создаются благоприятные условия

1 471 068 для локализации энергий соответствующих ангармонических колебаний.

Возбуждение всех четырех ангармонических колебаний в пьезоэлемен5 те 1 в о зможно и и ри исп оль зов ании одного автогенератора, который должен работать при этом в многочастотном режиме. 6днако такой режим работы связан с возникновением на выхо- 1р де автогенератора большого числа комбинационных частот, что приводит к трудности селекции информационных составляющих спектра выходного сигнала, а также значительно ухудшает кратковременную стабильность этих частот ° В результате этого растет уровень шума на выходе селектирующих элементов датчика перемещений, а следовательно, повышается погреш- 2р ность нуля при измерениях последних.

Для снижения уровня нестабильности частоты информационных составляющих выходных сигналов датчика, а также для обеспечения необходимого низкого 25 уровня побочных составляющих спектра в преллагаемый датчик перемещений введен второй двухчастотный автогенератор 4, в схему которого подключены электрод 2 переменной 3О толщины и правая секция 7 подвижного электрода 5.

Такж образом, двухчастотный автогенератор 3 обеспечивает непрерывное возбуждение ангармонических ко- 35 лебаний с частотами а» и со (фиг.2), а двухчастотный автогенератор 4 — генерацию аигармонических колебаний с частотами я и я4 (фиг. 3) . Поскольку каждый из двухчастотных авто- 40 генераторов 3 и 4 содержит нелинейный элемент — транзистор, то в спектрах их выходных сигналов содержатся составляющие с частотами пбд, 4 п сд. и mug х ш 604 соответственно Где 45 ш и n - целые числа. При этом максимальные амплитуды в спектрах выходных сигналов автогенераторов 3 и 4 будут иметь составляющие с суммарными я, иск,, а также с разностны- 5О ми <д„ Нса частотами, причем

1»» .» » 2 >

+p» +» 2 >

< С2 Э » О 4 >

®P2 = +4 +3 °

Составляющая выходная сигнала автогенератора 3 с суммарной частотой М выделяются из дискретного спектра (фиг.2) и через первый yq илитель 9 высокой ч а с то ты и ос туп ает на п ерв ь Й выход датчика. Разностная составляющая спектра этого же сигнала с частотой V p» селектируется первьм фильтром 0 нижних частот и через второй усилитель 11 высокой частоты поступает на один из выходов смесителя 12, на второй вход которого поступает сигнал с разностной частотой а >, выделенный и= выходного сигнала второго двухчастотного автогенератора 4 с помощью третьего фильтра 14 нижних частот и усиленный третьим усилителем 15 высокой частоты.

Сигнал с выхода смесителя 12, содержащий составляющие с комбинационными частотами mg + пу „поступает на вход второго фильтра 3 нижних частот, который выделяет составляющую с разностной частотой Ы =И 2-Ир .

Этот сигнал затем поступает на второй выход датчика.

При перемещении электрода 5 вправо масса электрода в активной зоне наиболее высокочастотного колебания с частотой Ю, уменьшается, а в активной зоне колебания с частотой Ю2 увеличивается. В результате измецения частот ц, и Я будут разными по знаку и примерно равными по величине, причем Q увеличивается, И уменьшается, а разностная частота ц, са, у растет (фиг. 2) В отлич ие от этог о смещение вп раво и одвижного электрода 5 приводит к уменьшению массы неподвижного электрода 2 в зоне активных колебаний наиболее низкой частоты Я и к соответствую9 щему увеличению массы электрода 2 в активной зоне колебаний с частотой

Я . В соответствИи с этим частота

Я растет, частота М< падает, а разностная частота у = у„д уменьшается (фиг.3). Информационные частоTbl Q4 > ЯР» и ИР2 ЯВлЯютсЯ фУнкди ями обоих йзмеряемых датчиком физических величин - температуры Т и перемещения 1. Для указанных частот получим а„=(а„+ а,„ hQ„}+ (я„- hu, ь а „}; гДе М,,, И2„ р > Сд „- начальные значения частот М, — у, при

5 147 среднем положении подвижного электрода 5; 4, < а ъ,„> 1) +4m приращения частот

Q, -F4 мещениях электрода

5 относительно симметрии пьезоэлемента 1;

hQ Аы,т) т э + 4т

Формула изобретения

Датчик перемещений, содержащий первый двухчастотный автогенератор, г пьезоэлемент с двумя электродами, соединенными с первым двухчастотным

25 генератором, последовательно соединенные полосовой фильтр и первый усилитель высокой частоты, последовательно соединенные первый фильтр нижних частот и второй усилитель д11 высокой частоты, входы полосового фильтра и первого фильтра нижних частот соединены с .. выходом первого двухчастотного генератора, один

) из электродов пьезоэлемента выполнен переменнОй тОлщины и закреплен на его поверхности, а другой установлен с возможностью перемещения вдоль противоположной поверхности

1 пьезоэлемента, о т л и ч а ю щ и й40 с я тем, что, с целью повьппения точности измерения перемещений, он снабжен последовательно соединенными смесителем и вторым фильтром нижних частот, последовательно соединенными вторым двухчастотным автогенератором, третьим фильтром нижних частот и третьим усилителем высокой частоты, выходы второго и третьего усилителей высокой частоты соединены с входами смесителя, подвижный и неподвижный электроды пьезоэлемента выполнены двухсекционньии, а вторая секция подвижного электрода и неподвижный электрод

S5 соединены. с вторьм двухчастотньм автогенератором. — температурные приращения частот

fi), -.я. при изменениях температуры Т окружающей среды.

Суммарная частота Q практически не зависит от величины перемещений и является с большой точностью приближения функцией только температуры Т где Мд

=(д,: + (д,) — среднее приращение суммарной частоты

И, под воздействием температуры.

Результирующая разностная частота Ръ РП Р) =((>4()+ 1()1-(>Sî+4 þé

b(hm<) (1,а,) мм (" 4 Mw «+ "и

a (пМ ЬЬЬа ) „a4(amд е м и м

4m, и

Ьа - начальные разности масс

% разнотолщинных частей левой и правой секций неподвижного электрода 2;

И - M4, - массы четырех разнотолщинных частей неподвижного электрода 2, Ь,(аа,), а (аале, Ь (Ьа ), a4,(Ьа ) - приращения разностей масс разнотолщинных частей электрода 2. в активных зонах колебаний с частотами M, — ц, 1 068 6 выделяемая из выходного сигнала смесителя 12 посредством второго фильтра 13 нижних частот, практически не зависит от температуры и оп5 ределяется лип)ь значением измеряемого перемещения.

Таким образом, изменение. функци" ональной схемы известного датчика о перемещений и. усовершенствование конструкции чувствительного элемента этого датчика обеспечивают повыше.(ие практически в два раза крутиз1 ны характеристики преобразования перемещение — частота. В свою очередь, это приводит к соответствующему повьппению точности измерений и снижению порога чувствительности датчика. 1471068

Составитель В. Кольцов

Техред A.Êðàâ÷óê Корректор А. Обручар

Редактор В. Петраш

Заказ 1580/44 Тираж 683 Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101