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

-*вх Г" X "~!*вх"*о.с

Рис. 3.9. Структурные схемы приборов на основе ПРД

Благодаря свойству интегрирования приращений частоты подобные структуры находят применение при построении высокочувствительных детекторов.

С применением ФД реализуются следящие умножители частоты, позволяющие повысить крутизну преобразования частотных ПРД. В схеме умножителя фазовый детектор сравнивает сигналы измерительного генератора и генератора управляемого напряжения после деления его частоты на п. Изменение частоты на входе Д/вх приводит к соответствующему изменению частоты Д/вых на пД/вх-

Заканчивая на этом краткий анализ структурных схем, отметим, что преобразователи с уравновещиванием применяются в приборах на основе ПРД довольно редко. Как правило, ПРД строятся по простей-щей схеме прямого преобразования параметра в частоту, что не исключает возможности высокоточных измерений.

б) Особенности применения ПРД в цифровых приборах

Специфические особенности цифровых прямопоказывающих приборов с ПРД отражают специфические черты самих пьезорезонансных датчиков - их достоинств и недостатков. Представляется целесообразным остановиться на общей характеристике ПРД как элементов, входящих в состав измерительных систем.

1. Как преобразователи физических параметров ПРД характер!-зуются довольно щироким диапазоном выходных частотных сигналов. Для наиболее обширной группы датчиков механических величин полезные девиации частоты составляют обычно 3-15 кГц. Существенно большими девиациями (до 100-200 кГц) характеризуются датчики температуры. Начальные частоты, соответствующие минимальному значению измеряемой величины, как правило, выбираются не менее 1-3 кГц. В целях упрощения схемы преобразователя начальное смещение задают так, чтобы при всех режимах измерений частота датчика не перодила через нуль.

2. ПРД относятся к преобразователям повышенной точности, обеспечивая зачастую погрешности на уровне Ю-Ю"-. Максимальные погрешности не превышают 3-5 %. При разработке цифровой аппаратуры следует учитывать большую разрешающую способность этих датчиков (10~-10- от верхнего предела измеряемой величины), а также их. высокую временную стабильность. У лучших образцов ПРД она достигает 0,01 % в год.

3. Для многих типов ПРД их рабочие характеристики можно рассматривать как линейные. В этом случае для описания датчика достаточно знания крутизны его рабочей характеристики и его нуля - начальной частоты. Как правило, это приемлемо для аппаратуры с классом не выше 0,25. При более жестких требованиях к точностям требуется описание характеристики датчика более сложной нелинейной функцией вида

X = Goo +С1оД? + <2о Д" +<зоД + (Goi ДГ +

-н С2,)Д0+ (Go2 +<12 ДОДб" -нСоз Д0 (3.8)

где X - измеряемый параметр; At = Г-Го; t - текущая температура окружающей среды; Го - температура, при которой определялась номинальная градуировочная характеристика; Ав =в-во; в - текущее значение частоты (периода); во - частота (период) выходного сигнала датчика, соответствующая начальному значению измеряемого параметра Хо = Ооо при температуре окружающей среды, равной to, Gjf - коэффициенты аппроксимации градуировочной характеристики.

В общем случае градуировочная характеристика задается десятью коэффициентами Gjj и двумя константами to и бо", в конкретных случаях часть из указанных коэффициентов аппроксимации может не использоваться.

4. Частотные ПРД имеют разброс характеристик. Хотя для некоторых из них он относительно невелик (1-5 %), в общем случае датчики невзаимозаменяемы.

Большой разброс присущ крутизне характеристики. Разброс по нулю устраняется более просто, например подстройкой частоты одного из генераторов.

Как правило, разброс характеристик компенсируется за счет соответствующих резервов вторичной измерительной аппаратуры. Если же говорить о проблеме обеспечения выпуска взаимозаменяемых ПРД, то здесь возможны два пути решения задачи [83]:

с помощью настррйки характеристик датчиков на завершающих операциях сборки путем подстройки топологии пьезорезонаторов либо других элементов в цепи преобразования (например, толщины мембран);

применением в составе датчиков промежуточных электронных преобразователей с регулируемыми характеристиками. В качестве варианта на рис. 3.10, а показана схема с нормированием на каскаде с прямым



Рис. 3.10. Структурные схемы преобразователей для нормирования чув-ствителыюсти ПРД

и обратным преобразованием частоты и напряжения. В схеме рис. 3.10,6 нормализация крутизны характеристик достигается подстройкой глубины обратной связи, воздействующей на частоту датчика через варикап В [60]. Более подробно эти вопросы рассматриваются в ходе описания отдельных типов приборов.

5. ПРД наилучшим образом проявляют свои достоинства при измерении статических и медленноменяющихся воздействий с частотами не выше 0,1-1 Гц. Для большинства задач приемлемые точности и разрешения обеспечиваются при опросах с тактом 0,1-1 с, а иногда и 10-100 с. Вместе с тем ряд видов ПРД, прежде всего датчики механических величин, имеют широкую полосу пропускания (до нескольких килогерц), что делает их пригодными и для регистрации динамических воздействий. В этом случае частота опроса при цифровой обработке должна возрастать. То же требование возникает и в многоканальных приборах с последовательной коммутацией группы датчиков на вход цифрового измерителя.

В связи с многообразием задач цифровой обработки частотных сигналов ПРД необходимо проанализировать варианты построения основного узла приборов - преобразователей частота - код.

Как известно [42, 43], в современной технике измерений частоты доминирующее место занимают два метода - метод преобразования с непосредственным отсчетом частоты и метод преобразования с непосредственным отсчетом периода. Первый широко используется в цифровых частотомерах и обеспечивает линейную зависимость вход-выход. Второй характеризуется обратно пропорщональной зависимостью вход-выход.

Меюд преобразования с отсчетом частоты. Сигнал измеряемой частоты Fд заполняет счетчик в течение одного или п периодов частоты опорного генератора. Время, требуемое для измерения, пропорционально растет с увеличением разрешения.

Метод преобразования с отсчетом по периоду. В этом случае импульсы известной частоты Fq подсчитываются за промежуток времени, равный одному или нескольким периодам преобразуемой частоты F.

Исходя из специфики ПРД при решении задач обеспечения максимальной разрешающей способности за минимальное время предпочтение следует отдать методу измерений с отсчетом по периоду.

Измерения по частоте дают хорошее разрешение при значительно больших временах измерения. Можно показать, что при измерениях по частоте для девиаций сигнала ПРД на уровене 5 кГц при частоте опорного генератора Fq = 5 МГц разрешающая способность на уровне 10" % обеспечивается при времени измерения около 2 с, что во мно-.гих случаях неприемлемо.

При измерениях с отсчетом по периоду основным источником погрешностей является нестабильность частоты опорного генератора, прямо влияющая на погрешность измерений; на практике даже для наиболее чувствительных и стабильных датчиков погрешности от нестабильности опорного генератора ничтожно малы (5-10~* -510"*).

При работе с ПРД приемлемы два алгоритма работы ПЧК с отсчетом по периоду:

1) число осредняемых периодов поддерживается постоянным и выбирается исходя из минимального значения выходной частоты датчика Fmin-

п = r„pF,-„ . (3.9)

При Гпр = 100 мс и F,-„ = 1 кГц п = 100. Погрешность дискретности и время преобразования составят при этом ± 10"* и 100 мс при Fд = = 1 МГц, Fo = 10 МГц. Однако для Fд = 100 кГц при том же опорном генераторе погрешность дискретности вырастет на два порядка (± 10"*), а время преобразования соответственно упадет до 1 мс (в 100 раз). Таким образом, алгоритм с осреднением постоянного числа периодов дает сильное изменение погрешности дискретности в рабочем диапазоне и, как следствие, возникают большие вариации разрешающей способности преобразования;

2) при втором алгоритме в процессе преобразования поддерживается постоянным время преобразования Тпр. При этом погрешность дискретности постоянна. Второй алгоритм с постоянным временем преобразования Гпр наилучшим образом подходит для датчиков с большой относительной девиацией частоты. К ним относятся датчики температуры, имеющие Fm,„ < Fx, а также дифференциальные датчики, у которых-Pmm близко к нулю.

Для датчиков с относительной девиацией 20-40 % первый и второй алгоритмы примерно эквивалентны.

Заканчивая рассмотрение особенностей цифровых измерительных приборов с ПРД, целесообразно еще раз перечислить основные специфические задачи, которые необходимо решать при проектировании этих устройств. К ним относятся: обеспечение высоких точностей измерений частоты (периода) при малых значениях времени измерений; линеаризация преобразования в цепочке параметр - частота (период) - код; нормирование результатов измерений при наличии разброса характеристик датчика. Последние две задачи должны решаться не только на стадии производства, но и в ходе эксплуатации аппаратуры и обеспечивать взаимозаменяемость датчиков.



ГЛАВА 4

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

На основе термочувствительных кварцевых пьезорезонаторов строятся измерительные преобразователи (ИП) двух типов:

1) измерительные преобразователи температура - частота (термо-метрь!);

2) измерительные преобразователи теплового типа, использующие комбинацию из термочувствительного резонатора и дополнительного злектронагревателя. В этих ИП измеряемое воздействие варьирует температуру термочувствительного элемента посредством изменения мощности, подводимой в нагреватель, или изменения условий теплоотдачи подогретого пьезорезонатора.

4.1. КВАРЦЕВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Ква{Л1евые датчики температуры являются автогенераторными преобразователями с частотным выходом и строятся как на основе пьезорезонаторов с линейной темпе ратурно-частотной характеристикой (ТЧХ), так и на основе пьезорезонаторов с нелинейной ТЧХ. В принципе измерения температуры с малой погрешностью могут быть выполнены на обоих типах термочувствительных резонаторов, если градуировочная характеристика термодатчика определена с высокой точностью. Линейность характеристики существенно упрощает градуировку ИП, сводя ее к измерению частоты в двух реперных точках.

а) Разновидности кварцевых термочувствительных резонаторов (ТЧР)

В подавляющем большинстве случаев кварцевые термометры выполняются на основе резонаторов с колебаниями сдвига по толщине диапазона 5-30 МГц. Принципиально показаны возможности использования и более высокочастотных (50-100 МГц) резонаторов типа "обратная мезаструктура", вьшолненных методами ионно-плазменного травления. Известны высокоточные измерения температур и резонаторами с более низкими рабочими частотами 0,5-1 МГц. Используются как ТЧЭ, резонирующие на основном колебании, так и ТЧЭ, работающие на третьем и пятом обертонах, что пропорционально увеличивает коэффициент преобразования.

Отечественной промышленностью выпускается серийно несколько типов термочувствительных резонаторов. Их основные параметры приведены в табл. 4.1. Параметры ТЧЭ, производимых за рубежом, приведены в табл. 4.2.

Резонаторы выпускаются в стандартных корпусах (рис. 4,1).

и в я н

• о о • •

о «о 2 X о, & о,

л s -«,

0 о о

10 «о

fn fn см fn

а 50 а л» О О

О О Ю ir, r, <М

..Ч -< 00 -<

+ + + + + + +

•I- -I-

о о о о m о о

\д \д \0 VO VO

I I I I + I I

о о о о о о о о о t- ю о 00

1Л rt rt rt Tt ЧО fS

о о м=

® о о о о о

VO о о 0 о о

rt <М Ю «о t--

>Л t- m m

S°o644

00 00

rt <S «5 о о Н Н Cf

еч еч pu

[=1 rt- fO в , „ г- г-О

еч еч еч

"3

я с 1

«в

ui -

S н сг Х9 м

Ч ь.

1 f* I

rt rt 00

о Tt о rt rt 00 rt

SS§§

rt rt rt rt + + + +

О О О О

00 «о »о ю

I I I I

g§S§

00 00 о о

С4

<

§5



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