Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [13] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45


Рис. 2.22. Модель гиропреобразователя

продольные резонансные колебания по длине с амплитудой на конце стержня :

Ait) =AxSino}pt.

(2.89)

Узловая точка колебаний лежит в центре стержня. Предположим, что через узловую точку проходит ось вращения Z-Z, перпендикулярная длине стержня. Если угловая скорость равна О,, то в соответствии с законами механики на любой элементарный объем массой dM, от-С10яший от центра вращения на расстоянии х, будет действовать сила Ко1«олиса

df = 2dШa, (2.90)

ГЦ» V - вектор мгновенной скорости.

Поскольку имеется только один компонент скорости (в направлении оси X), а векторы V и ортогональны, то в соответствии с (2.90) кориолисова сила, действующая на элементарный объем dM, лежит в шюскости вращения, направлена вдоль оси Y и осциллирует с часто-т©й механических колебаний сОр по закону

dFy = 2dMxQ.ziOp cos uipt. (2.91)

Под действием кориолисовых сил в стержне возникают знакопеременные изгибные (сдвиговые) деформации с частотой сор в плоскости XY. Фаза деформаций изгиба определяется направлением вращения, а амплитуда изменяется пропорционально угловой скорости 0,2-

Таким образом, если вибратор выполняется из материала, обладающего сдвиговым пьезомодулем, то при соответствующей ориентации элемента и электродов оказывается возможным преобразовать вызванные кориолисовыми усилиями изгибные деформации в электрическое напряжение на электродах. Измеряя амплитуду и фазу этого напряжения, можно определить значение угловой скорости О, и направление вращения.

Описанный принцип действия лежит в основе работы пьезоэлектрических гироскопов вибрационного типа, рассматриваемых в §7.7.

Гиропреобразователи занимают особое место среди преобразователей, применяемых в ПРД, поскольку являются единственными из рассматриваемых устройств, в которых не удается вьщелить элемент струк-

туры с параметрами, модулируемыми в функции входного воздействия. Выходной сигнал гиропреобразователя формируется в результате изменения характера движения (упругих деформаций) в пьезовибраторе.

В самом общем случае пьезоэлектрические гиропреобразователи могут рассматриваться как аналог электрического трансформатора с регулируемым коэффициентом трансформации. В отсутствие вращения коэффициент трансформации равен нулю; с ростом угловой скорости пропорционально увеличивается коэффициент трансформации, в результате чего растет и сигнал на выходе "трансформатора".

2.6. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ

В настоящем параграфе кратко рассмотрим влияние на параметры пьезорезонаторов электрических и магнитных полей и радиоактивного излучения. Воздействия этого типа хотя и не используются в качестве управляющих при построении ПРД, могут оказывать заметное влияние на функционирование датчиков.

Влияние электрических полей. Частота и потери кварцевых резонаторов зависят от прикладьтаемого к пьезоэлементу электрического поля Е весьма слабо. Коэффициент, характеризующий влияние поля на частоту Kg = bflfbE, не превыщает Ю"" мм/В, т.е. при напряженности £" = 10 В/мм относительные изменения частоты составляют не более 10". Зависимость Д/ (Е) близка к линейной. Как показано в [106], основной вклад в изменение частоты дает вариация упругих констант (электроупругий эффект).

Для пьезокерамических материалов влияние электрического поля проявляется намного сильней. Прт напряженностях поля, близких к пробойным {Е 10-20 кВ/мм), изменения частоты могут достигать 10-15 %. Столь большие эффекты связаны с перестройкой структуры материала под действием поляризующего поля [2, 10, 16]. Зависимость частоты от поля носит ярко выраженный гистерезисный характер.

Влияние магнитных полей. Изменение физических констант пьезоматериалов в магнитном поле невелико. По данным [26], статическое магнитное поле с индукцией 0,2 Тл изменяет частоту кварцевых ПР на 10"* /р. Тем не менее пьезорезонаторы могут обнаруживать сильную реакцию на магнитные поля, если электроды возбуждения или элементы конструкции ПРД выполняются из магнитных или магнитострикцион-ных материалов.

Влияние радиационных воздействий. Кварц и пьезокерамика могут быть отнесены к числу радиационно стойких материалов электронной техники. При использовании специальных сортов сырья и методов его обработки [1] кварцевые пьезорезонаторы могут иметь относительные уходы частоты не более 2-10" при облучении потоком ней-



тронов Ю"* нейтр/см или при дозе 7-облучения Ю Р. Пьезорезона-" торы перестают возбуждаться при потоках свыше Ю" нейтр/см. Пьезокерамические материалы сохраняют свою работоспособность при нейтронных потоках с дозой Ю * нейтр./см [9, 23].

Старение кварцевых резонаторов. Старением ПР называют процесс систематических необратимых уходов частоты во времени, вызываемых изменениями физических свойств кристалла, элементов конструкции и физико-химических условий среды, в которой резонатор функционирует. Старение связано с целым комплексом явлений, происходящих в самом кристалле, на границе кристалла и пленочных покрытий, на границе кристалла и держателей, в пленочных покрытиях, в держателях и, наконец, в баллоне, в котором заключен кристалл.

К наиболее серьезным источникам старения относятся:

разрушение поверхностного слоя кристалла;

развитие и заживление микротрещин, возникающих в кристалле в процессе его механической обработки;

процессы релаксации кристалла из энергетически неустойчивого, возникшего в процессе обработки состояния в основное устойчивое;

диффузия примесей в кристалле;

изменение физических свойств пленок, держателей, сорбционные процессы на поверхности кристалла и электродов [4].

Для снижения старения используются обработка поверхностей асимптотическими методами (шлифование, полирование, травление), их химическая очистка, химическая и термообработка металлических и диэлектрических элементов конструкции Пр и их обезгаживание, герметизация и вакуумизация пьезовибратора, термообработка готового ПР. Процесс старения кварцевых резонаторов поддается прогнозированию. Резонаторы одной партии имеют обычно близкие характеристики старения.

Скорость старения максимальна в первые дни после изготовления ПР; с течением времени процесс старения замедляется. Как правило, чем более устойчивы условия работы ПР (температура, уровень возбуждения, вибрации и т.д.), тем меньше необратимые уходы частоты. Старение в существенной мере зависит от конструкции ПР. Для негермети-зированных резонаторов основным механизмом старения являются процессы сорбции частиц на поверхности пьезоэлемента и окисление электрода - пленки. За первый год эксплуатации старение негермети-зированных резонаторов AT- и ДГ-среза на частоты 6-16 МГц в среднем составляет 50-10"*. Значительно меньшим старением обладают герметизированные и особенно вакуумные резонаторы [3].

На старение частоты резонаторов в датчиках должны существенно влиять особенности конструктивного выполнения этих датчиков. В общем случае необратимые сдвиги выходной частоты ПР в датчиках оказываются не меньшими, чем у резонаторов аналогичного типа в стандартном исполнении. Это связано с большей конструктивной сложностью

ПРД, несовершенством технологии, малой изученностью средств борьбы со старением ПРД. Некоторое снижение погрешностей старения может быть достигнуто построением датчиков по дифференциальной схеме.

Погрешности нуля от старения для многих датчиков оказываются нередко более значительными, чем температурные погрешности. В первую очередь это относится к датчикам на основе высокочастотных сдвиговых резонаторов.

ГЛАВА 3

ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВ

3.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Возбуждение управляемого пьезорезонатора в измерительных преобразователях может осуществляться в режимах автоколебаний, вынужденных колебаний и свободных колебаний.

В автоколебательном режиме (рис. 3.1, а) пьезорезонатор 7ZP используется в качестве частотозадающего элемента замкнутой системы, содержащей усилитель У. Режим автоколебаний поддерживается в схеме на частоте, близкой к частоте рабочего резонатора TIP. Измеряемое воздействие модулирует собственную частоту или потери ПР, что приводит к частотной или амплитудной модуляции несущей на выходе автогенератора.

В режиме вынужденных колебаний возбуждение ПР осуществляется от независимого генератора ГВ (рис. 3.1, б). При работе генератораГ5 на фиксированной частоте /о через ПР протекает ток, амплитуда и фаза которого определяются проводимостью ПР и амплитудой сигнала генератора. Измеряемое воздействие, изменяя частоту ПР и (или) модулируя потери резонатора, вызывает амплитудную и фазовую модуляции напряжения С/вых на выходе схемы. Амплитудно-частотные характеристики невозмущенного TIP (кривая 1) и при перестройке частоты (К1»1вая 2) приведены на рис. 3.1, в.

В другом варианте устройства, использующего режим вынужденных колебаний, управляемый генератор возбуждения УГВ выполняется перестраиваемым по частоте (рис. 3.1, г). Управление частотой осуществляется блоком БУ, который автоматически устраняет расстройку, внесенную измеряемым воздействием. Блок настройки может работать по принципу развертывающего преобразователя либо по принципу следящей системы, а подстройка может вестись по амплитуде или фазе тока через ПР [128]. В момент, когда настройка выполнена, включается измерительное устройство ИУ (измеритель частоты, тока и т.п.), показания которого однозначно связаны с измеряемым воздействием.



г{>

у Вых. -о

1 OP

Вьи. 11/


fr hfa f

а/7/

Вых. -о

У Н

Вых. -о

Рис. 3.1. Схемы включения пьезорезонаторов в измерительных преобразователях

В режиме свободных колебаний (рис. 3.1, д) измерение параметров перестраиваемого ПР производится спустя некоторое время после того, как резонатор отключается ключом К от усилителя У, возбудившего в нем резонансные колебания; схема измерения фиксирует либо частоту свободных колебаний ПР, либо скорость затухания этих колебаний в зависимости от того, используется ли управление ПР по частоте или добротности.

Режим свободных колебаний сравнительно редко используется в пьезорезонансных датчиках. Ограничена и область применений режима вынужденных колебаний,

В подавляющем большинстве случаев пьезорезонансные датчики строятся на основе использования автоколебательного режима. Выполнение ПРД по автогенераторной схеме позволяет наиболее просто осуществить высокоточное преобразование параметров управляемого резонатора в выходной сигнал.

3.2. ОСНОВЫ РАБОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ

Автогенератор на основе пьезоэлектрического резонатора может рассматриваться в общем случае как замкнутая система, содержащая усилитель и пьезорезонатор, включенный в цепи положительной обратной связи усилителя (рис. 3.2, а). Коэффициент передачи такой системы

(3.1)


Рис. 3.2. Автогенератор с пьезоэлектрической стабилизацией:

а - структу1»1ая схема автогенератора; б - эквивалентная схема автогенератора; в - влияние добротности пьезорезонатора на ши1жиу спектральной линии выходного сигнала автогенератора

Для возникновения режима незатухающих непрерывных колебаний в замкнутой системе должны выполняться два условия:

1) условие баланса фаз, заключающееся в том, что автоколебания в замкнутом контуре возникают, если коэффициент передачи разомкнутой системы является действительной величиной, т.е. суммарный фазовый сдвиг усилителя и резонатора равен или кратен 2я. В этом случае усилитель на частоте автоколебаний охвачен положительной обратной связью;

2) выполнение на частоте колебаний соотношения \Кр > 1. В этом случае амплитуда колебаний стремится возрастать до тех пор, пока усилитель не попадает в нелинейную область, где наступает ограничение амплитуды. Если же ЛГ31 < 1, то автоколебания в замкнутой системе с течением времени затухнут [21 ].

При заданном значении коэффициента усиления прямой цепи значение IК0 I тем больше, чем выше проводимость пьезорезонатора. Таким образом, в замкнутой схеме второе условие возникновения автоколебаний наиболее просто удовлетворяется вблизи резонансных частот ПР. С другой стороны, вблизи резонансных частот фаза ПР претерпевает наиболее значительные изменения, вследствие чего легко удовлетворяется и условие баланса фаз.

Автогенератор играет в пьезорезонансных датчиках роль промежуточного преобразователя параметров пьезорезонатора в модулированный сигнал. Точностные характеристики измерительного устройства в целом существенно зависят поэтому и от характеристик самого автогенератора.

Для оценки требуемого уровня стабилизации частоты автогенератора примем, что измеряемое воздействие создает максимальные относитель-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [13] 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0009