Вимірювальній перетворювач з частотним п’єзорезонансним датчиком

Реферат: Вимірювальній перетворювач з частотним п'єзорезонансним датчиком містить кварцовий резонатор, виконаний з модульованим міжелектродним зазором, функція електродів зняття коливань якого суміщена з функцією збудження резонатора. Кварцовий резонатор з модульованим міжелектродним зазором включений до одного з плечей мосту Віна, вхідна діагональ якого підключена до генератора, керованого напругою, до входу керування якого підключений вихід генератора лінійно-змінної напруги, інше суміжне плече мосту Віна утворене послідовно з'єднаним керованим за опором резистором та конденсатором, вихідна діагональ мосту Віна підключена до нуль-індикатора, вихід якого підключений до керуючого входу електронного ключа, до входу якого підключений вихід генератора лінійно-змінної напруги, а вихід підключений до пристрою індикації та зберігання. Вихід генератора лінійно-змінної напруги підключений до керуючого входу керованого за опором резистора через схему формування напруги керування. UA 113289 U (54) ВИМІРЮВАЛЬНІЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ З ЧАСТОТНИМ П'ЄЗОРЕЗОНАНСНИМ ДАТЧИКОМ UA 113289 U UA 113289 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до контрольно-вимірювальної техніки, зокрема до п'єзорезонансних датчиків переміщень та тиску з частотним виходом, і може бути використана для виміру зусиль та визначення властивостей і параметрів речовин. Відомий вимірювальний перетворювач на основі частотного датчика тиску, який містить циліндричний резонатор з параметричними електродами та електродами збудження і поляризації, LC- генератор високої частоти з параметричним входом, фільтр високої частоти і частотний детектор, вихід якого підключений до підсилювача сигналу збудження резонатора [1]. Недоліком даного пристрою є низька точність перетворення, обумовлена використанням об'ємного резонатора, низькостабільних високочастотного LC-генератора та частотного детектора, які вносять суттєві похибки перетворення тиску. Найбільш близьким по технічній суті до пристрою, що заявляється, прийнятим за прототип, є вимірювальний перетворювач з частотним датчиком тиску для сфігмографічних досліджень [2], що містить резонатор, електроди, підключені до параметричного входу генератора ВЧ, вихід якого через смуговий фільтр ВЧ з'єднаний із входом частотного детектора (дискримінатора), резонатор виконаний кварцовим з модульованим міжелектродним зазором, функція електродів зняття коливань якого суміщена з функцією збудження резонатора, а вихід частотного детектора підключений до входу підсилювача постійного струму, причому частотний детектор має коло кварцової стабілізації та адаптивного налаштування частоти дискримінації, що складається з послідовно з'єднаних кварцового резонатора та варикапа, загальна точка з'єднання яких через схему формування напруги керування варикапом підключена до виходу підсилювача постійного струму. Недоліком даного пристрою є використання в схемі частотного детектора з колом зворотного зв'язку, в який входить пристрій адаптивного налаштування частоти дискримінації, що ускладнює схему та вносить додаткову похибку перетворення. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення схеми та підвищення точності перетворення фізичної величини у сигнал постійного струму. Поставлена задача вирішується тим, що вимірювальній перетворювач з частотним п'єзорезонансним датчиком містить кварцовий резонатор, виконаний з модульованим міжелектродним зазором, функція електродів зняття коливань якого суміщена з функцією збудження резонатора, кварцовий резонатор з модульованим міжелектродним зазором включений до одного з плечей мосту Віна, вхідна діагональ якого підключена до генератора, керованого напругою, до входу керування якого підключений вихід генератора лінійно-змінної напруги, інше суміжне плече мосту Віна утворене послідовно з'єднаним керованим за опором резистором та конденсатором, вихідна діагональ мосту Віна підключена до нуль-індикатора, вихід якого підключений до керуючого входу електронного ключа, до входу якого підключений вихід генератора лінійно-змінної напруги, а вихід підключений до пристрою індикації та зберігання, причому вихід генератора лінійно-змінної напруги підключений до керуючого входу керованого за опором резистора через схему формування напруги керування. Суть корисної моделі пояснює креслення. Вимірювальній перетворювач з частотним п'єзорезонансним датчиком містить генератор лінійно-змінної напруги 1, вихід якого підключений до входу схеми формування напруги керування 2, входу електронного ключа 3 та входу керування генератора, керованого напругою 4, вихід якого підключений до вхідної діагоналі мосту Віна, одне плече якого утворене керованим напругою опором 5, на вхід якого підключений вихід схеми формування напруги керування 2, та конденсатором 6, інше суміжне плече утворене кварцовим резонатором з модульованим міжелектродним зазором 7, два інші протилежні плеча утворені першим резистором 8 та другим резистором 9, вихідна діагональ мосту Віна підключена до входу нульіндикатора 10, вихід якого підключений до керуючого входу електронного ключа 3, вихід якого підключений до пристрою індикації та зберігання 11. Вимірювальній перетворювач з частотним п'єзорезонансним датчиком працює наступним чином. Генератор лінійно-змінної напруги 1 формує напругу керування для генератора керованого напругою 4, внаслідок чого на його виході формується синусоїдальний сигнал з змінною частотою f u , яка змінюється періодично, в заданих межах та подається на коло збудження мосту Віна. Плечі мосту Віна утворені першим резистором 8, другим резистором 9, керованим напругою опором 5, на вхід якого підключений вихід схеми формування напруги керування 2, та конденсатором 6. При виконанні умов балансу мосту Віна: R3  2R4 , (1) де R 3 - опір резистора 8; 1 UA 113289 U де R 4 - опір резистора 9; частота квазірезонансу мосту Віна визначається співвідношенням:  fV  2 R1R2C0C2 1 , (2) де R1 - динамічний опір кварцового резонатора з модульованим між електродним зазором 5 7; R2 - керований напругою опір 5; C0 10 - статична ємкість кварцового резонатора з модульованим між електродним зазором 7; C2 - ємкість конденсатора 6. В той же час, еквівалентна схема кварцового резонатора з модульованим міжелектродним зазором 7, представлена на кресленні, відповідає частоті послідовного резонансу, яка у випадку модульованого міжелектродного зазору, як показано в роботі [3] визначається рівнянням: f x   f0 15 Ixm  1  hI Ix  hI , (3) f0 - номінальна резонансна частота кварцового резонатора з модульованим де міжелектродним зазором 7 при відсутності міжелектродного зазору (х=0); m - ємкісне співвідношення кварцового резонатора з модульованим міжелектродним зазором 7; hI 20 - частото визначальний розмір п'єзоелемента (товщина); I - діелектрична проникність матеріалу п'єзоелемента; x - поточна величина між електродного зазору. a  hI / I При введенні позначення f x   f0 1  вираз (3) спрощується: 0,5m  x x  a . (4) В той же час, при збільшенні зазору збільшується і еквівалентний динамічний опір кварцового резонатора з модульованим міжелектродним зазором R1 та зменшується його статична ємність C0 . Як визначено в роботі [3]: 25 R1x   R10 1  x / a2 , (5) R10 де - динамічний опір кварцового резонатора з модульованим між електродним зазором 7 при відсутності між електродного зазору (х=0); C0 x   0ISE hI  x (6): SE 30 де - площа рухомого електрода кварцового резонатора з модульованим міжелектродним зазором 7. 35 формування напруги керування 2, яка реалізує функціональну залежність зменшення опору R 2 при збільшенні міжелектродного зазору: З метою рівності частот послідовного резонансу f x  та частоти квазірезонансу fV в схемі вимірювального перетворювача з частотним п'єзорезонансним датчиком передбачений вплив на керований напругою опір 5 від виходу генератора лінійно-змінної напруги 1 через схему 2   m x  1 x  0SEC2    R2 x    f0 1  4 R10 1   I    x a a hI  x        1 . (7) Оскільки величина змінювання міжелектродного зазору x невідома і вимірюється, в рівнянні (7) слід змінити аргумент х на частоту генерації генератора, керованого напругою 4, використавши співвідношення: x 40 af0  f u  f u  f0  0,5mf0  , (8) 2 UA 113289 U 5 10 15 20 25 де f u - вихідна частота генератора, керованого напругою 4, визначена вихідним сигналом генератора пилкоподібної напруги 1. На частоті квазірезонансу вихідна напруга мосту Віна буде дорівнювати нулю, що призведе до вмикання нуль-індикатора 10, який в свою чергу замкне електронний ключ 3, який підключить до пристрою індикації та зберігання 11 поточне значення вихідної напруги генератора лінійнозмінної напруги 1, яке є пропорційним величині міжелектродного зазору. Зміна фіксації показань пристрою індикації та зберігання 11 буде виконуватися за умови f u  f x   fV з періодичністю, яка визначається генератором лінійно-змінної напруги 1. Таким чином, вмикання кварцового резонатора з модульованим міжелектродним зазором в плече мосту Віна, в інше суміжне плече якого ввімкнені конденсатор та керований за опором резистор, до входу якого підключений вихід схеми формування напруги керування від генератора лінійно-змінної напруги спрощує схему вимірювального перетворювача та зменшує похибку перетворення величини міжелектродного зазору в сигнал постійного струму. Джерела інформації: 1. А.с. 1000806 СССР, МКИ G01L 11/00. Частотный датчик давления / Корольков И.В., Іванов С.Ю.; Заявитель Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. В.Э. Баумана - № 3286836/1810; Заявл. 07.05.81; опубл. 28.02.83, Бюл. № 8. 2. Патент UA 53900 Україна МПК G01L 9/08 Вимірювальний перетворювач з частотним датчиком тиску для сфігмографічних досліджень / С.К. Підченко, А.А. Таранчук, В.І. Стецюк та ін. - № u201003620; заявл. 29.03.2010; опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20, 2010 р. 3. Колпаков Ф.Ф. Пьезорезонансные механотроны в измерениях параметров сердечнососудистой системы человека / Ф.Ф. Колпаков, С.К. Пидченко, А.А. Таранчук, А.Е. Опольская // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - X.: Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є. Жуковського "Харк. авіац. ін-т", 2009. - № 2(36). - С. 60-71. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Вимірювальній перетворювач з частотним п'єзорезонансним датчиком, що містить кварцовий резонатор, виконаний з модульованим міжелектродним зазором, функція електродів зняття коливань якого суміщена з функцією збудження резонатора, який відрізняється тим, що кварцовий резонатор з модульованим міжелектродним зазором включений до одного з плечей мосту Віна, вхідна діагональ якого підключена до генератора, керованого напругою, до входу керування якого підключений вихід генератора лінійно-змінної напруги, інше суміжне плече мосту Віна утворене послідовно з'єднаним керованим за опором резистором та конденсатором, вихідна діагональ мосту Віна підключена до нуль-індикатора, вихід якого підключений до керуючого входу електронного ключа, до входу якого підключений вихід генератора лінійнозмінної напруги, а вихід підключений до пристрою індикації та зберігання, причому вихід генератора лінійно-змінної напруги підключений до керуючого входу керованого за опором резистора через схему формування напруги керування. 3 UA 113289 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4