Генераторы с пьезорезонансной стабилизацией частоты
Во многих электронных устройствах используются высокостабильные генераторы. Основным стабилизирующим элементом в таких генераторах являются кварцевые резонаторы. За счёт обратной связи в резонаторе поддерживаются пьезо-механические осцилляции на частоте резонанса.
Генераторы с кварцевой стабилизацией обладают рядом полезных свойств: высокой временной и режимной стабильностью, высоким уровнем выходного сигнала, надёжностью возбуждения автоколебаний, малый уровень выходных шумов и др.
Значительная часть генераторов используется и в пьезорезонансных датчиках.
На рис. 7.4 приведена одна из схем генератора с кварцевой стабилизацией – схема ёмкостной трёхточки в который резонатор работает на частоте близкой к частоте переллельного резонанса.
Кварцевый резонатор
Рис. 7.4
Наиболее распространённый вариант построения пьезорезонансных датчиков – дифференциальная схема (рис. 7.5). Использование дифференциальных схем позволяет значительно снизить аддитивные погрешности, увеличивает линейность характеристик. Схема содержит два автогенератора (АГ), частота которых задаётся идентичными пьзорезонаторами.
В ненагруженном состоянии резонаторы имеют резонансную частоту f. Внешнее воздействие изменяет резонансную частоту на (Δf / 2), при этом, частота одного резонатора возрастает, а другого – увеличивается. Сигналы с генераторов подаются на смеситель, в котором выделяется разностный сигнал Δf и набор паразитных частот. Разностный сигнал, несущий информацию о величине внешнего воздействия, выделяется фильтром нижних частот.
Рис. 7.5
В условиях, когда невозможно обеспечить разнонаправленное внешнее воздействие на резонаторы, один из них оставляют ненагруженным и он поддерживает постоянную опорную частоту f.
7.6 Типы пьезорезонансных датчиков
Тензочувствительность пьезорезонаторов к механическим воздействиям, действующим на кристалл, позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов в разного типа датчиков, у которых измеряемые физические величины могут вызывать силовое воздействие на кристалл, его деформацию или физические свойства кристалла. Чаще всего пьезорезонансные датчики используются для измерения усилий, микроперемещений, акустических воздействий, давления, ускорения и др.
Во всяком случае, измеряемая величина изменяет частоту колебаний генератора с пьезоэлектрическим элементом стабилизации частоты.
А) схема дифференциального датчика силы
Измеряемая сила прикладывается к упругому элементу (рис. 7.6). Величина изгиба определяется величиной силы F. На упругом элементе размещаются два пьезорезонатора так, что при изгибе один сжимается, а другой растягивается. Соответственно резонансные частоты изменяются на Δf.
Рис. 7.6
Б) схема дифференциального датчика разностного давления
На рис. 7.7 приведена схема дифференциального датчика, воспринимающего разность давлений жидкости или газа (Р1 – Р0). Входные преобразователи давлений выполнены в виде сильфонов. Разность растяжений сильфонов передаётся на упругий элемент с пьезорезонаторами, образующими дифференциальную пару.
Рис. 7.7
В) схема тензорезонансного дифференциального датчика ускорения
При ускоренном движении датчика (рис. 7.8), из-за силы инерции, действующей на инертную массу, один пьезорезонатор будет сжиматься, а другой растягиваться.
Рис. 7.8