(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ . Изобретение относитс к технике элек . трических измерений .неэлектрических величин и может быть использовано дл одновременного измерени механических усилий, температуры и влажности. Известен дифференциальный пьезоэлек трический преобразователь механических усилий, содеркаший упругое кольцо с пьезоэлектрическими вибраторами 11 VI 121. Недостатком устройства вл етс возможность измерени лишь одного параметра - силы. Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь , содержащий многопараметровый чувствительный элемент сдвум пьезо- резонаторами, выполненный на одной пьезокварце вой пластине и подключенным 5. двум автогенераторам, которые своими Ьходами погружены на входы фазового детектора , св занного через фильтр нижних частот б входами первого и второго усиПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ лителей, соединенных своими выходами с управл ющими входами первого второго автогенераторов. В известном устройстве чувствительными элементами автогенераторов которого служат пьезокварцевые резонаторы, одно из измер емых, воздействи й, в часгкосги. сила, приводит к изменению частот пьезорезонаторов в противоположные стороны, в конечном счете, и изменению частот генерации автогенераторов, в разные стороны , в то врем как второй измер емый параметр - гемперагурапркводиг к изменению частот пьезорезонаторов, и, следовательно , частот автогенераторов а одну и ту же сторону т о uf(F}Af (Т) ( й (Т1 Благодар дифференциальному включению пьезорезонаторов и схеме устройства имеетс возможность измер ть помимо сипы второй измертемый параметр температуру C3J . Сйнако в известном устройстве отсутствует возможность одновременного изме- рени ускорени , действующего на датчик. Цель изобретени расширение функциональных возможностей устройства, т. е возможность измерени . помимо гемперату1Ы и силы еще и ускорени . Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство введены третий пьезо- резонатор, вход щий в состав многопараметрового чувствительного элемента и включенный в дополнительно введенный третий автогенератор, преобразователь частота - напр жение, четвертый автогеГнерагор , дополнительный фазовый детектор/ дополнительный фильтр нижних частот, а также третий и четвертый усилители, njacчем выход второго автогенератора св зан через преобразователь частота - напр же- ние с первым управл ющим входом третьего детектора, второй вход которого св зан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первым управл ющим входом к выходу первого фильтра нижних частот , а выход дополнительного фазового детектора через дополнительный фильтр . нижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей, нагруженных на вторые, управл ющие входы третьего и четвертого автогенераторов. На фиг. 1. изббражена функциональна схема предлагаемого дифференциального пьезоэлектрического преобразовател ; на фиг. 2 - конструкци предлагаемого преобразовател . Преобразователь содержит многопараметровый (трехпараметровый) чувствитель ный элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2-4, подключенными к автогенераторам 5 - 7, фазовый детектор 8, преобразователь 9 частота - напр жение, фильтр 10 нижних частот, усилители 11 и 12, четвертый автогенератор 13, дополнительный фазовый детектор 14, дополнивтельный фильтр 15 нижних частот, третий и четвертый усилители 16 и 17 соответственно , причем выходы первого 5 и второго 6 автогенераторов своими выходами нагружены на входы первого фазового детектора 8, св занного через фильтр 10 нижних частот с входами первого 12 и второго 11 усилителей, соединенных свок м . выходами с управл ющими входами первого 5 и второго 6 автогенераторов, выход Гвторогд автет нера гора 6 свйзан через преобразователь частота - напр жен е 9 с первым управл ющим входом 979 2 третьего автогенератора 7, нагруженного на перв1ый вход дополнительного фазового детектора 14, второй вход которого св зан с выходом четвертого автогенератора 13, подключенного первым управл ющим входом к выходу фильтра 10 нижних частот, а выход дополнительного фазового детектора 14 через дополнительный фильтр 15 нижних частот подключен к входам третьего 16 и четвертого 17 усилителей, нагруженный на вторые управл ющие входы третьего и четвертого 13 автогенераторов . Многопараметровый чувствительный элемент 1 (фиг. 2) содержит корпус 18 и изготовленные за одно целое с ним мембрану 19 и поддерживающие мембранные стойки 20. В корпусе 18 поддерживающие мембранные стойки 2О устанавливаетс кварцева пластина. 2.1 (UC-cpeaa) со ступенчатыми электродами 22; на опорные щайбы 23 установлен пьезокварцевый диск 24 (LC-среза) с плоскими электродами 25, поджатый с торцов пружинами 26. Многопараметровый чувствительный элемент 1 находитс под действием силы Р(Х-), температуры ТСХ), ускорени ), действующего в плоскости, перпендикул рной продольной оси корпуса 18 и проход щей, через середины пружин 26. Пьезокварцевый диск 24 с плоскими электродами 25 выполнен из материала такого же ЬС-среза как и пьезокварцева пластина 21 со ступенчатыми электродами 22, а также имеет одинаковую с пьезокварцевой пластиной 21 ориентацию относительно кристаллографических осей. Благодар этому устран етс помеховое влийние температуры Т, заключающеес во взаимном перемещении плоских электродов 25 пьезокварцевого диска 24 относительно ступенчатых электродов 22 пьезокварцевой пластины 21. Пьезокварцевый диск 24 в данной конструкции многопараметрового чувствительного элемента выполн ет роль массы, используемой в акселерометрах. При этом щирина и конфигураци пружин 26, ограничивающих перемещение пьезокварцевого диска 24 по поверхности опорных щайб 23, выбираетс такой, чтобы обеспечить минимальную жесткость в направлении действи ускорени и максимальную жесткость во всех остальных направлени х. Ступенчатые электроды 22, центры которых расположены под углом 120 относительно центра пьезокварцевой пластины 21, нанесены на ней так чтобы плоскости торцов /ступенек были перпендикул рны направлеjamo действи ускорени . В процессе сборки многопараметрово го чувствительного элемента на мембрану 19 воздействуют давлением, при этом поддерживающие мембранные стойки 2О отклон ютс в стороны и в них вставл етс пьезокварцева пластина21 со ступенчатыми электродами 22, причем таким образом, чтобы ось каждого резонатора проходила через центр поддерживающей мембранной стойки 20 и центр пьезоквар цевой пластины 21. При сн тии давлени пьезокварцева пластина 21 оказываетс зажатой в трех поддерживающих мем бранных стойках 2О. При этом пьезоквар цевый диск 24 подгибом пружин 26 уста навливаетс относительно зажатой пьезокварце вой пластины 21 так, чтобы плоскость симметри Я каждого резонатора проходила .через диаметр каждого плоского электрода 25 пьезокварцевого диска 24 и вдоль плоскости раздела массы соответ ствующего ступенчатого электрода 22 пьезокварце вой пластины 21. Отметим, что диаметр каждого плоского (подвижного ) электрода 25 меньше диаметра соответствующего ступенчатого (неподвижного ) электрода 22. При изменении воздействующего давлени Р происходит изменение сжимающи : усилий, пропорциональных давлению и прикладываемых к каждому резонатору (эффект гензочувсгвительносги). Воздействие температуры Т на кварцевые резонаторы происходит через мембрану контактным путем и путем радиации (эффект термочувствительности). Воздействие ускорени приводит к изменению взаимного расположени подвижных (плоских) электродов 25 пьезокварцевого диска 24 и неподвижных (ступенчатых) электродов 22 пьезокварцевой пластины 21, а, следовательно, и изменению. массы неподвижных электродов 22 в активной зоне (эффект массочувствительности ). Таким образом, кварцевые резонаторы 2-4 многопараметрового чувствительно го элемента 1 наход тс под действием давлени , температуры и ускорени . Поскольку резонаторы 2-4 подключены соот ветственно к автогенераторам 5-7, то одновременное воздействие силового и температурного полей, а также ускорени через эффекты тензо,- термо, - и массо- . чувствительности приводит к изменению езонансных частот пьезокварцевых резоаторов 2 - 4 и, следовательно, частот енерации . 2 3 втогенератоов5 - 7. Причем, так как в качестве езонаторюв примен ютс кварцевые реонаторы иС-среза, обладающие линейой зависимостью частоты от Т,Р и с, о частоты генератораиии можно записать следующим образом fi fo-t «1ir l2 «13Si 2 где Т, F и с - воздействующие темпера- тура, сила и ускорение; ii (i-i.5) - коэффициент преобразова ни по температуре или (1 ,3) - коэффициент температурной чувствительности соответствующего кварце- вого резонатора; с(- ( 1 1|Ь) коэффициент преобразовани по силе или коэффициент массочувствительности . Пьезоэлектрические резонаторы 2-4 выполнены на одной общей пьезокварце- вой пластине 21 и имеют одинаковые по величине и знаку коэффициенты преобразовани по температуре, что характерно дл дифференциальных устройств Коэффициенты преобразовани по силе и массе при дифференциальном-включении должны иметь дл резонаторов 2 и 3 либо противоположные знаки, либо различные по величине коэффициенты с( и 0(22) в качестве пьезокварцевых резонаторов в предлагаемом устройстве используютс резонаторы ЬС-среза, имеющие высокие коэффициенты преобразовани по температуре , силе и массе и обладающие линейной зависимостью частот от измер емых воздействий. Кроме того, дл этих резонаторов можно подобрать необходимые величины и знаки силовых коэффициентов чувствительности. Так, например, при изменений угла приложени силы относительно кристаллографической оси Z кварцевого резонатора можно получать различные по величине и знаку коэффициенты силовой чувствительности. В нашем случае при приведенном на фиг. 2 расположении резонаторов относительно центра пьезоэлектрической пластины 21 коэффи- иненты силовой чувствительности )22 и о ji имеют разные величины, однак такие, что коэффициент силовой чувствительности по величине равен разности двум других коэффициентов Коэффищюнты массочувствительности выбраны все разные по величине, причем выполн етс следующее неравенство ме жду ними Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Из-за различи коэффициентов тензои массочувствительности резонаторов 2 и 3, а, следовательно, за счет разности частот и f, автогенераторов 5 и 6, подключенных к первому фазовому детектору 8, на выходе последнего наблюда етс биение, причем в зависимости от зн ка мгновенного напр жени биений разност между частотами автогенераторов 5 и 6 то повыщаетс , то понижаетс , что .приводит к неодинаковой длительности полоЗшгельной и огрицагельной полуволн распределени биений, в результате чего на выходе фазового детектора 8 образуетс посто нна составл юща напр жени , тем больша чем меньше начальна расстройка частот и f2 (асинхронный режим). Эта посто нна составл юща подаетс через фильтр 10 ни сних частот и усилители 11 и 12 с соответс вующимн по величине и знаку коэффициен тами усилени на автогенераторз 5 и 6 и снижает частоту биений до иул . В реальной системе ФАПЧ с интегрирующим фильтром 10, если atj- полоса захвата системы ФАПЧ) при любой фазе включени режим биений становитс апериодическим и наступает захват частот . При этом устанавливаетс посто нна разность фаз cos do где д f yj - полоса удержани системы ФАПЧ, и напр жение на выходе фазового детектора 9 также посто нно. В предлагаемом устройстве благодар заранее известному выбору знака расстр ки автогенераторов 5 и б и равным по знаку и различным по величине коэф фициентам передачи усилителей 11 и 12 а, следовательно, частот управл емых автогенераторов 5 и 6 вопредоленный м мент времени также произойдет взаимный захват частот Т Т ft . В этом случае с выхода каждого из авггогенераторов 5 и 6 имеем частотный сигнал, пропорциональный воздействующей температуре т 1 - f 01 13 % - «21 В дальнейшем возникающа при изменении воздействующих сил F и ускорени Of дополнительна расстройка частот автогенераторов 5 и 6 приведет к изменению уровн посто нного напр жени на выходе .фазового детектора 8 и фильтра Ю нижних частот. Если при возможных экстре-мальных расхождени х частот f .j и f определ емых диапазонами возможных воздействующих сил и ускорений, расстройки , вносимые в автогенераторы 5 и 6, достаточны дл полной компенсации этих расхождений, то напр жение на выходе фильтра 1О нижних частот всегда будет пропорционально воздействующим на пьезорезонаторы 2 и 3 силы F и ускорению с ЧА 12- 21 3- 23 а, следовательно, учитыва вышесказанное частотный сигнал с выхода любого из автогенераторов 5 и 6 будет пропорционально воздействующий на пьезорезонаторы измер емой температуры Т (синхронный режим). Частотный сигнал с геноратора 6, пройд через преобразователь & частота напр жение , поступает на первый управл ющий вход автогенера гора 7 и компенсирует составл ющую , в результате чего частоту его генерации можно представить в виде т. е. этот сигнал не зависит от температуры Т (результат компенсации). Сигнал с выхода первого фильтра 10 нижних частот поступает на первый управл ющий вход четвертого автогенератора 13, в результате чего его частоту генерации можно записать в виде f4 fo4- Са,- ( Поскольку коэффициент силовой чувствительности пьезорезонатора 4 выбП (3), т.е. ран из уелоПИЯ - 2 1 а коэффициент массочувствитальности 4 выбран, из услови (4) пьеэорезонатора т. е. ТО мы имеем дифференциальное устройст во, включающее, автогенераторы 7 и 13, второй фазовый дегекгор 14, второй фильгр 15 нижних частот, а также третий и четвертый усилители 16 и 17, относительно третьего измер емого параметра - ускорени . Имеюща с расстройка .частот f и f автогенераторов 7 и 13 приводит к аналогичному ранее рассмотренному режиму биений (асинхронный режим), а затем захвату частот , и f (синхронный режим ), в результате чего напр жение на выходе второго фильтра 15 нижних частот будет пропорционально третьему изме р емому параметру - ускдрению cj , а . частотный сигнал с выхода Л1обого из автогенераторов 7 и 13 при выбранных раз нозначных коэффициентах усилени усилителей 16 и 17 будет пропорционален воз действующей на пьезорезонаторы силе F -fo4(«l3-°23) 1i-°M С ) Следовательно, в предлагаемом устройстве имеетс возможность одновремен ного измерени трех разнородных физических параметров - температуры, силы (давлени ) и ускорени , а также увеличи точность определени температуры и силы за счет устранени дополнительной погрешности их определени , обусловленной вли нием ускорени ,Формула изобретени Дифференциальный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий-многопарам D7 2 iO тровый чувствительный элемент с двум пьезорезонаторами, выполненными на одной пьезокварце вой пластине и подключенными к двум автогенераторам, которые своими выходами нагружены на входы фа-, эового дегек1юра, св занного через фильгр нижних частот с входами первого и второго усилителей, соединённых своими выходами с управл ющими входак и первого и второго автогенераторов, отличающийс тем, что, с целью расширени функциональных возможностей, в него введены третий пьезорезонатор, вход щий в состав многопараметрового чувствителыного элемента и включенный в дополнителЕгко введенный третий автогенератор, преобразователь частота - напр жение, четвертый автогенератор, дополнительный фа- . зовый детектор, дополнт-ельный фильтр нижних частот, а также третий и четвертый усилители, при этом выход второго автогенератора св зан через преобразователь частота - напр жение с первым управл ющим входом третьего автогенератора , нагруженного на первый вход дополнительного фазового детектора, второй вход которого св зан с выходом четвертого автогенератора, подключенного первым управл ющим входом к выходу фильтра нижних частот, выход дополнительного фазового детектора через дополнительный фильтр нижних частот подключен к входам третьего и четвертого усилителей , св занных с вторыми управл ющими входами третьего и четвертого автогенераторов . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 558189, кл. G О1 U 9/08, 1975. 2.Патен Великобритании № 1483456, кл. G 1 G (G01 L, 1/16), 1977. 3.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2886749, кл. G 01 L 1/16, 1980 .