1.9 Пьезорезонансты датчиктері бар өлшеу аспаптарының құрылымы

ПРД-термен бірге бақылау-өлшеу аппаратураларының басым көпшілігі цифрлі болып табылады. Бұл екі жағдайдың табиғи салдарынан: цифрлі әдісте ақпаратты өңдеудің басым болу рөлі және жиілікті сигналдардың цифрлі түрлендірілуінің оңайлығы. Жалпы жағдайда ПРД-терімен бірге цифрлі аспаптарының құрылымы жиілікті кодқа түрлендіру блогынан, цифрлі индикация блогынан тұрады, сонымен бірге көмекші түйіндер – қоректену көзі, автоматтау сызбасы, тіреу жиілігінің генераторы және т.с.с. Көп каналды құрылғыларда датчиктердің жүйелілік сұраныстары үшін коммутатор қарастырылады.

ПРД-терді жөндеу жүйесінде қолданғанда, жиілікпен жұмыс істеуге қарағанда, тоқ немесе кернеу сигналдарымен жұмыс жасау өте оңайға түседі. Бұл жағдайда аспап құрылымына жиілік-код түрлендіргіштері орынына жиілік-кернеу (тоқ) түрлендіргіштері енгізіледі. Бұл құрылғылардың қазіргі заманғы интегралдық сызбалары түрлендірудің жеткілікті жоғарғы дәлдіқ қасиетімен қамтамасыз етеді. Кернеудегі жиілікті түрлендіру кварцты жиілікті дискриминаторлар көмегімен де орындалады. Олар түрлендірудің жоғарғы тіп-тік болуына ие болады (кернеу сызбасының қоректенуі 10В жеткенде, герцке бірнеше вольтке дейін). 10-20 % жететін үлкен сызықсыздық дискриминаторлардың кемшілігі болып табылады.

ПРД-терінің жиілігіндегі ақпаратты өңдеу блогы жиілікті шығуы бар басқа датчиктерде қолданылатын блоктардан ештеңесімен ажыратылмайды. Көптеген ПРД-тер түріне тән үлкен сызықтық кейбір жағдайларда, линеаризаторларды шығарып тастап есептегенде, өлшеу аспаптарының сызбасын жеңілдетуге көмектеседі.

Сурет 7 – прд-тер негізіндегі өлшеу құрылғыларының сызбасы

ПРД-тер радиоарнаны беру үшін қолданылатын телеметрия жүйесінде қолданылады. Радиотереметриялы ПРД-тердің құрылымдық сызбасы 7,а суретінде көрсетілген. Дифференциалды сызбада өлшенетін ықпал ПР₁ резонаторына қойылған. ПР₂ тіреу резонаторы, біріншіден, әртүрлі жиілікті ФСРЧ сигналдарын құру тізбегінде, екіншіден, радиотапсырысты тасу генераторы ретінде қолданылады, жиілігінің амплитудалық модуляциясы ПРД-тің шығуындағы әртүрлі жиіліктің сигналы арқылы жүзеге асады. ПРД негізінде орындалған ауыспалы аспаптарда параметрлерді өлшеу нөлдік-әдіс (сурет 7,б) арқылы іске асырылады. Параметр функциясында күшейтуден кейінгі әртүрлі жиіліктің сигналының өзгеруі Н наушнигінде орындалады және аударушы C_П конденсаторының тұтқасын бұру арқылы оператор жиіліктің соғуын нөлге дейін төмендетуге жетеді. Осы кезде аударушы C_П конденсаторының тұтқасына механикалық қатарлас және сәйкес бірліктерде градусталған шкалада өлшеу жүреді.

1.10 ПРД-тердің цифрлі аспаптарда қолданылу ерекшеліктері

ПРД-тердегі цифрлі тура көрсеткішті аспаптардың спецификалық ерекшеліктері пьезорезоансты датчиктердің өздерінің ерекше белгілерін – олардың қасиеттері мен кемшіліктерін бейнелеп көрсетеді. Өлшеу жүйесінің құрамына кіретін элементтер сияқты ПРД-тердің жалпы сипаттамасына мақсатқа сай тоқталып өту керек.

1. Физикалық параметр түрлендіргіштері ретінде ПРД-тер шығатын жиілікті сигналдың жеткілікті кең диапазоны болып сипатталады. Механикалық шама датчиктерінің ең көп тобы үшін қажетті девиациялық жиілік, әдетте 3-15 Гц құрайды. Температура датчиктері ең үлкен девиация (100-200 Гц дейін) болып сипатталады. Өлшенетін шаманың минималды мәніне сәйкес келетін бастапқы жиілік ережеге сай 1-3 Гц кем емес болып таңдалынады. Түрлендіргіш сызбасын жеңілдету мақсатында бастапқы жылжытуды барлық өлшеу тәртібінде датчиктің жиілігі нөлден өтпейтіндей етіп алады.

2. ПРД-тер жоғарғы дәлдік түрлендіргіштері қатарына жатады, көбінесе қателікті 10^-3-10^-5 деңгейінде қамтамасыз етеді. Максималды қателік 3-5% көтерілмейді. Цифрлі аппаратты өңдеуде бұл датчиктердің үлкен қабілеттілігін есептеу керек (10^-4-10^-7 өлшенетін шаманың үстіңгі шегінен), сонымен қоса олардың жоғарғы уақытша тұрақтылығын есептеу керек. ПРД-тердің жақсы үлгілерінде ол жылына 0,01% жетеді.

3. ПРД-тердің көп түрлері үшін олардың жұмысшы сипаттамаларын сызықты етіп қарастыруға болады. Бұл жағдайда датчикті суреттеу үшін оның жұмысшы сипаттамасын және оның нөлдік-бастапқы жиілігін білу жеткілікті. Ережеге сәйкес, бұл 0,25 жоғары емес класты аппаратуралар үшін қолайлы. Өте қатал талаптар бойынша дәлдікке датчиктің ауыр сызықсыз функциясының сипаттамалық суреттелуі талап етіледі. Мына түрдегі:

X=G₀₀+G₁₀∆t+G₂₀∆t²+G₃₀∆t³ +(G₀₁+G₁₁∆t+G₂₁)∆+(G₀₂ +G₁₂∆t)

∆²+G₀₃ ∆³ ,

мұндағы Х - өлшенетін параметр; ∆t=t-t₀; t – қоршаған ортаның ағымды температурасы; t₀ – номиналды градусталған сипаттама анықталған температура; ∆₀;  - жиіліктің (периодтың) ағымды мәні; ₀ - t₀ тең болған, қоршаған ортаның температурасы Х₀= G₀₀ болғанда, өлшенетін параметрдің бастапқы мәніне сәикес келетін датчиктің шығу сигналының жиілігі (периоды);

Gij – градусталған сипаттаманың аппроксимациялық коэффициенті.

Жалпы жағдайда градусталған сипаттама Gij-дің 10 коэффициентімен және t₀ мен ₀ екі константасымен беріледі; нақты жағдайларда көрсетілген аппроксимация коэффициенттерінің бір бөлігі ғана қолданылуы мүмкін.

4. Жиілікті ПРД-тер сипаттамасының шашыраңқылығына ие болады. Бірақ олардың кейбіреулері үшін ол үлкен емес (1-5%), жалпы жағдайда датчиктер өзара алмаспаған.

Үлкен шашыраңқылық сипаттаманың тік болуына тән. Нөлдік шашыраңқылық өте жеңіл жойылады, мысалы, бір генератордың жиілігін тұрғызу арқылы.

Сипаттаманың шашыраңқылығы екінші өлшеу аппаратурасының ұқсас резервтерінің есебінде орын толтырады.

1.11 Кварцты микроөлшеу әдісінің тәжірибе жүзіндегі қолданысы

Кварцты микроөлшеу – сезімталды пьезорезонаторлардың салмағын қолдануға негізделген өлшеу әдісі.

Кварцты микротаразылар – автогенератордың шығу жиілігін жеңілдететін, кварцты резонатордың үстіне байланысқан салмақтың өзгерісін түрлендіру үшін арналған өлшеуіш автогенераторлы құрылғы. Кварцты микроөлшеу соңғы 25 жылда таратыла бастады және де жыл сайын қолданысы кеңейе берді.

Кварцты микротаразылардың басты қасиеттері мыналар:

1. 2,5 МГц/мг жететін жоғаты сезімталдық. Сезімталды резонаторлардың салмағын шешетін қабілеттік 10^-11 г жетеді. Олардың қабілеттілігі басқа түрдегі ең жақсы микротаразылардан үш тәртіпте жоғары. Ең жақсы микротаразылардың қателігі 1-2% құрады;

2. жан-жақтылық. Микроөлшеу әдісімен өлшеуде көптеген параметрлерді өлшеу қарастырылады: пленка қалыңдығы, ылғалдық, газды қоспа тізімі, қысым, температура, микропромесьтерді шоғырлау, коррозиялы тұрақтылық, тотықтырғышты тұрақтылық, ерігіштік, будың серпімділігі, заттың әртүрлі физика-химиялық параметрлері және т.б;

3. кең диапазондағы температурада (абсолютті нөлден 500-550С дейін) жұмыс жасау қабілеттілігі;

4. өлшеу нәтижесінің кеңістіктегі күш мәнінің салмағынан және күйінен тәуелсіз болуы (тербелмелі пьезоэлемент үстіндегі түрлендіргіштің резонансты жиілігінің өзгеруі инерционды күш есебінде жетеді). Бұл ерекшелік кварцты микротаразыларды салмақсыздық шарттарында қолдануға көмектеседі, олардың гравитациялық өріске қатысты өз бетімен жұмыс істеу жағдайына жеткізеді;

5. кішкентай габаритті өлшемдер; соққыға, вибрацияға жоғарғы беріктілік; үлкен химиялық және радиациондық тұрақтылық; вакуумда өлшеу үшін қолданылу мүмкіндігі (кварцты резонаторлар тәжірибе жүзінде қоршаған орта атмосферасын ластандырмайды);

6. құндылық және қол жетерлік жоғары емес (кварцты микротаразылардың негізі - жиілікті тұрақтандыру дәстүрлі құрылғыларында кеңінен қолданылатын АТ-кесінділі термотұрақты резонаторлар).

Кварцты микротаразылардың кемшіліктер сипаттамасы мыналар болып табылады:

1. өлшеуіш ретінде жабылғанның қалыңдығын қолданғанда жұмыс ресурсының жоғары болмауы. Жалпы жағдайда жабылғанның жалпы қалыңдығы бірнеше микроннан артық болмауы керек, үлкен қалыңдықта пленкадағы шығындарға байланысты резонатордың сапасы мен өлшеу дәлдігі төмендейді. Ондайда түсірілген қабаттарды алып тастауға баруға болады, мысалы, олардың сындырылуы, бірақ осы тәрізді процедура 8-10 рет қана орындалады. Циклдер көп болғанда резонатор жиі өз қатарынан шығады;

2. температураның әсер етуі.

Кварцты микротаразылар – сорбционды түрдегі датчиктер. Оларда резонаторлардың эквивалентті параметрлерінің өзгерісі салмақты арттыру арқылы болады, яғни заттың сорбциялық процесі немесе байланысқан салмақтың төмендеуі, яғни заттың десорбциялық процесі. Байланысқан салмақты өлшеу қайтымды және қайтымсыз сипаттаманы алуы мүмкін.