NO801451L - Prosess for kompensering av temperatur variasjoner i overfln ateboelgeanordninger og trykktransducer som bruker prosesse - Google Patents

Abstract

Prosess for kompenseringen av temperaturvariasjoner i anordninger innbefattende to elastisk overflatebølgeoscillatorer (2a, 3a, 6a, Sa, 4a; 2b, 3b, 6b, Sb, 4b), hvis oscill asjonsfrekvenser blandes (5) for således å avgi differansen (S) mellom disse frekvenser.Prosessen består i å innsette et forsinkelseselement (60) i sløyfen av minst en av oscillatorene (2b, 3b, 6b, Sb, 4b),. hvilket innfører en forsinkelse som varierer med temperaturen og hvis lengde velges således til å utbalansere variasjonene for de to oscillatorene.Anvendelse i forbindelse med kraft og trykktransducere samt aksellerometere.

Description

I Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for kom-! nensering av temperaturvariasjoner i anordninger innbefattende to elastiske overflatebølgeoscillatorer, hvis oscillasjonsfrek-venser blandes på slik måte at forskjellen mellom disse frekvenser avgis.

Elastiske overflatebølger som kan forplante seg i et piezoelektrisk substrat brukes i et flertall anvendelser og særlig, i

- forbindelse med innbyrdes forskjøvne (interdigitated) transducere, for frembringelse av forsinkelseslinjer eller resonatorer anbragt i sløyfe ved hjelp av forsterkere for å tilveiebringe oscillatorer som opererer i et område av meget høye frekvenser (typisk

100 MHz). Forplantningshastigheten for disse bølger i substratet har tendens til å variere med forskjellige fysiske parametre, slik som aksellerasjon og trykk, slik at slike oscillatorer i særdeleshet anvendes i aksellerometeret og kraft og trykktransducere. For således å redusere frekvensen for utgangssignalet på en slik måte at den kan lettere anvendes, innbefatter trans-ducerne generelt to oscillatorer, hvis utgangssignaler har tem-melig like frekvenser og f.eks. varierer i den motsatte retning relativt parameteren som skal måles. Disse signaler blandes for således å avgi et utgangssignal, hvis frekvens er lik differansen mellom de to oscillasjonsfrekvensene og derfor meget liten (typisk 100 kHz). Den varierer med parameteren som skal måles med en følsomhet lik, den algebraiske sum av den for hver oscillator betraktet separat på en kvasi-lineær måte, i det minste i et forutbestemt verdiområde.

Ved siden av parameteren som skal måles, varierer oscillasjonsfrekvensene på en følsom måte med temperaturen. En meget re-dusert temperaturvariasjon kan oppnås ved å anvende to oscillatorer og danne forskjellen mellom oscillasjonsfrekvensene, hvis variasjoner som en funksjon av temperaturen har samme fortegn

og lignende verdier. Imidlertid gjør eventuelle usymmetrier i anordningen og teknologiske mangler det ofte umulig i tilstrekkelig grad å redusere denne variasjon, særlig når det er meget store temperaturvariasjonsområder og det er ikke alltid mulig å plassere anordningen i en termostatisk styrt innelukking, i Dette fører til systematiske feil i målingen av parameteren som

J skal måles og disse feil kan nå samme størrelsesorden som selvej parameteren.

Problemet knyttet til oppfinnelsen er å unngå den ulempe ved en fremgangsmåte som gjør det mulig å utbalansere temperaturvariasjonene i de to tilknyttede oscillatorer. Oppfinnelsen anvender egenskapene ved visse midler for sending av signaler med meget høy frekvens, slik som koaksialkabler og linjer med' loka-liserte konstanter.og som også i visse tilfeller har meget store temperaturvariasjoner, hvorved forsinkelsene som innføres er tilstrekkelig små til å sikre at oscillasjonsfrekvensene bare endrer seg ganske lite. Således består fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen å innføre i sløyfen på minst en av oscillatorene en forplantningslinje som innfører en forsinkelse som varierer med temperaturen og hvis lengde velges på slik måte at variasjonen av forsinkelsen kompenserer begynnelsesreferansen mellom variasjonene mellom de to oscillatorene. Oppfinnelsen vedrører også enhver anordning som innbefatter to elastisk overflatebølgeoscil-latorer som anvender en slik fremgangsmåte og særlig kraft og trykktransducere såvel som aksellerometeret.

Oppfinnelsen er beskrevet i nærmere detalj i det etterfølgende

i forbindelse med ikke-begrensende utførelsesformer og den ved-lagte tegning.

Fig. 1 viser en elastisk overflatebølge-trykktransducer som anvender fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et diagram som angir temperaturvariasjonene i anordningen i fig. 1. Fig. 1 er et planriss av en trykktransducer forsynt med to forsinkelseslinjer som bærer elastiske overflatebølger og angir en ikke-begrensende eksemplifisert anvendelse av oppfinnelsen. Linjene er tilveiebrågt på overflaten £^ av et piezoelektrisk substrat. Eksempler på piezoelektriske materialer som vanligvis anvendes er kvarts og litium niobat, hvor sistnevnte har større temperaturvariasjoner enn førstnevnte. Substratet er !rektangulært. Det kan være i form av et tynt rektangulært brett, hvis kanter er stivt festet til en understøttelse. Denne under^-støttelse har en sirkulær sentral fordypning, hvis bane C på ■ brettet er vist med stiplede linjer i fig.. 1. Substratet kan også omfatte en tykkere stiv blokk, hvis midtpunkt er uthulet for således å etterlate en.skive C av begrenset tykkelse. I begge tilfeller er den nyttige del av substratet skiven C. Den ytre overflaten^, av substratet poleres og, i den nyttige sonen, an-ordnes par av transducere 2a - 3a og 2b - 3b, mellom hvilke er - henholdsvis dannet to forsinkelseslinjer. Forplantningsaksen for en av linjene sammenfaller med en diameter av skiven C. Ak-sen av den andre linjen er parallell med den tidligere nevnte og er nær periferien av den nyttige sonen, på en slik måte at virk-ningene av en trykkdifferanse på begrensningene plassert på det korresponderende sone av brettet har motsatt fortegn og lignende, intensiteter.

Linjene er anbragt i sløyfe på seg selv, henholdsvis ved hjelp av forsterker—kretsene 4a og 4b. Dette fører til oscillatorer a og b, hvis respektive utgangsignaler S a og S, d har frekvenser Fa og Ftø, som er nær hverandre, men ikke like, særlig på grunn av innflytelsen av. forbindelsene og faseforskyvningene som inn-føres av forsterkerne i hver. sløyfe. Videre varierer disse frekvenser i motsatte retninger med trykket. Signalene S' a og Stø blandes i en blander 5, hvilken avgir det ytre signalet S med frekvens F& - F^. Når variasjonene mellom begrensningene som ut- . øves på skiven frembringer frekvensvariasjoner, har sistnevnte motsatte fortegn f ..eks.. A F og - Af^, idet f rekvensvarias jonen for signalet S er lik A F& tAF^. Imidlertid tilveiebringer omgivende temperaturvariasjoner frekvensvariasjoner av samme fortegn, dvs. S Fg ogSF^, slik at f rekvensvarias jonen av signalet S er lik S Fa ~ S^b* Ettersom de to linjene har de samme karakteristika, dvs. det samme materialet,lengderrog tilstøtende operasjonsfrekvenser, er §F^meget nær % F&. Ettersom imidlertid ingen av de to linjene og heller ikke oscillasjonssløyfen er helt identiske, er forskjellen Sf - Sf, ikke lik null.

' J ab

Uten kompensasjonsfrémgangsmåten ifølge oppfinnelsen, ble oven-nevnte transducer laget med et kyartssubstrat, hvis midtpunkt varrkuttet'ut på Y-formet måte for således å tilveiebringe et nyttig i areal C med diameter 10 mm og tykkelse 250 p, m. Oscillasjonsfrekvensen for hver oscillator er ca. 100 MHz. Følsomheten som oppnås er 40 kHz/bar. En temperaturvariasjon av a b_ 10 / C ble målt. Det vil umiddelbart forstås at nar temperaturen varierer, f.eks. mellom -40°C og +100°C, varierer frekvensen av utgangssignalet med 1,4 kHz, korresponderende med en systematisk feil på trykket av 3 5 mbar, hvilket ikke er ubetyde-lig m.h.t. de trykk som kan måles med denne type av transducer.

Oppfinnelsen tilsikter å eliminere denne systematiske feil. Trans-■duceren vist i fig. 1 anvender fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. En koaksial kabel 60 innføres i sløyfen for oscillatorene, dvs.

i dette tilfellet b. Denne kabel er ved samme temperatur som linjene, hvis karakteristika, nemlig transmisjonshastigheten for signalene med frekvensen F^og temperaturvariasjonen er kjent og hvis lengde 1 bestemmes på slik måte at driften av oscillatoren b bringes tett nær den for oscillatoren a. Måten for å bestemme lengden 1 er beskrevet i det etterfølgende. Kabelen 6 0 skal innføres i sløyfen av oscillatoren som har den største driften, hvis dens drift har samme fortegn som den for oscillatorene, og hvis dette ikke er tilfellet, inn i sløyfen for oscillatoren som har den minste driften.

Diagrammet i fig. 2 viser variasjonene av oscillasjonsfrekvensene i hviletilstand, dvs. for -null trykk som skal måles, F og F ,

^ a b som en funksjon av temperaturen , hvorved sistnevnte varierer innenfor et forutbestemt område. Man har antatt at disse variasjoner er lineære, hvilket er i overensstemmelse med målingene som er utført på en anordning slik som beskrevet i det forut-gående .

Kurve A er variasjonskurven av frekvensen F a. Kurve B er variasjonskurven av frekvensen F^ ved fraværet av kompensasjon (uten kabelen 60). Det er klart at oscillasjonsfrekvensen øker med. temperaturen. I overensstemmelse med hva som er gitt.i det foregående, er imidlertid helningen av de to kurvene ikke like, slik at variasjonen mellom de to kurvene, korresponderende med differansen Fa - F^ ved hvile-tilstanden varierer med temperaturen.

. j.Denne differansen avtar med. temperaturen, på grunn av at varia-j

sjonen av F, b er større enn den for F a . Derfor bør centen et element som innfører en forsinkelse innføres i sløyfen for oscillatoren (a) og hvis effekt overlagres på den for gjenværende del av sløyfen,- eller et element som innfører en forsinkelse bør inn-føres i sløyfen for oscillatoren (b) og hvis første variasjon med temperaturen er i den motsatte retning for den for gjenværende del av sløyfen, slik at' variasjonskurven for frekvensen Ftø har den samme helling som. kurven. Det er det sistnevnte til-- feilet som er vist her. Man har forsøkt å oppnå kurven C parallell med A. Den følgende beregning viser hvorledes denne kompensasjon er mulig. Oscillas jonsbetingels en f or enhveri.oscillator uttrykkes med ligningen f x T = n i hvilken n er et tall som kan anta enhver hel verdi, hvor f er oscillasjonsfrekvensen for ."n" modusen og T summen av forsinkelsene som innføres av de forskjellige elementer i sløyfen, dvs. linjen, forsterkerne og forbindelsene. Forsinkelsen Tq på grunn av linjen er større, slik at T er i alt vesentlig lik Tq. Når en av parametrene over-for hvilken forsinkelsene er følsomme varierer og særlig TQ, oppnås en relativ frekvensvariasjon som kan måles. For temperaturvariasjonen —r p = - —=1•. For oscillatoren a:Fa = - ~Ta.

a a For oscillatoren b med kompensering, dvs. med et element som inn-fører en suplementær forsinkelseL: —— - - ^—-———. Nød-b ~ v-vendigheten av kompensering kommer av eksistensen av en ikke-null forskjell a - ° b som er blitt målt. Hensikten med

,Ta Tb STb<+>SX St

kompenseringen er å oppnå —^— —— = —^— . Med kjennskapet St St<b*->v i a . anvendes,

til T, , a - b og driften 2-* i kabelen som anvendes, er

b. — ——xab

det mulig å bestemme forsinkelsen X/°9således den nødvendige kabellenge. Ved å ta frem .igjen foregående eksempel, der Fa Fb^ 100 MHz'dvs* ^"^b^1' 5 ^s og ^ Tb = ~2' 10_7/°c' ■ • 1 -§ Tb og ved å bruke en kabel for hvilken »~=r = 10 /°C, har vi :

S T St St Jt,

7=— = a - b . Vi finnerf ^0,3 ns. Etter som for-

re T T

plantningshastighetenafor en slik kabel er av størrelsesorden 5 ns/m, er den nødvendige lengde av kabel av størrelsesorden 10 cm. . Forsinkelsen^ bevirker en f or sky vn ing . av frekvensen F,. Ifølge ligningen —— = —fp- =2-10 avtar da Fbmed ca. 20 kHz, og I differansen F& - F^^ker med samme beløp. Denne økning av ut- ,

jgangssignalets frekvens har vanligvis ingen betydning, fordi det dreier seg om et justeringsproblem med oppfangeren. Men dersom man for andre anvendelser, ønsker å la differansen F a - F, D' beholde sin opprinnelige verdi, er det mulig å innskyte i oscil-latorsløyfen (a) er element som bevirker en passende forsinkelse som ikke er'.følsom for temperaturen. Man kan f. eks. bruke en koaksialkabel isolert med polytetrafluoretylen hvis avviksfor-sinkelse er ca. -80-10</>C. Derimot er det å foretrekke å velge et kompenseringselement av et materiale som innfører en meget temperaturfølsom forsinkelse for å oppnå den kortest mulige nødvendige lengde.

For i praksis å sette i verk fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, bør man: - utføre driftmålingene uten kompensering på de anordninger den er bestemt for,

- velge elementet som skal besørge kompenseringen,

- beregne tilnærmet den nødvendige lengde,

- innføre elementet i den oscillatorsløyfen som.har størst drift, ved hjelp av suksessive målinger finjustere elementets lengde for å oppnå null variasjon i det valgte temperaturområdet.

Den oppnådde lengde passer vanligvis for alle anordninger av samme type fabrikert på samme måte. Blant de materialer som.er egnet for denne kompensering, kan nevnes visse koaksialkabler med styrt eller ikke styrt transmisjon eller forplantning, der det hovedsaklig er dielektrikummets egenskaper som bestemmer variasjonen. Kabler med polyetylendielektrikum har en variasjon på. ca. -250•10~<6>/°C. Kabler med polyvinylkloriddielektrikum (PVC) har en meget større variasjon, dvs. -880«10<*>V°C. Denne kabel-type er derfor spesielt fordelaktig.

Fig. 1 viser bare et eksempel på iverksettelse av oppfinnelsen. Oppfinnelsen kan også brukes i forbindelse med oscillatorer ut-styrt med resonatorer. Det er ikke nødvendig at anordningen av forsinkelseslinjer eller resonatorer er som vist på fig. 1, eller at de er anbragt på samme substrat. Prosessen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å kompensere temperaturvariasjoner i når sistnevnte er tilnærmet lineære.

i

Claims (6)

1. Prosess for kompenseringen av temperaturvariasjoner i en anordning innbefattende to elastiske overflatebølgeoscillatorer og blandermidler som avgir et utgangssignal, hvis frekvens er lik differansen mellom oscillasjonsfrekvensen for de to oscil-t-latorene, idet sistnevnte har temperaturvariasjoner av samme fortegn og ulike verdier, karakterisert ved at den består i å innsette i sløyfen for minst en av osillatorene en transmisjonslinje som innfører en forsinkelse som varierer med temperaturen, hvis lengde velges på en slik måte at variasjonen av forsinkelsen med temperaturen kompenserer begynnelses-differansen mellom de termiske variasjoner for de to oscillatorene.

2. Prosess som angitt i krav 1, karakterisert ved at transmisjonslinjen er en koaksialkabel.

3. Prosess som angitt i krav 2, karakterisert ved at kabelen har et dielektrikum av polyvinylklorid.

4. Prosess som angitt i krav 2, karakterisert ved at kabelen har et dielektrikum av po.lyetylen.

5. Prosess som angitt i krav 1, karakterisert ved at en andre forplantningslinje som innfører en forsinkelse som har en mindre^ variasjon enn den første innsettes i sløyfen for den andre oscillatoren på en .slik måte at be-gynnelsesverdiene for frekvensen av utgangssignalet opprett-holdes.

6. Trykktransducer av den type som innbefatter to forsinkelseslinjer anbragt i sløyfe på seg selv respektivt ved hjelp av to forsterkere, idet nevnte linjer er anordnet på overflaten av et piezoelektrisk substrat på en slik måte at de har for-' sinkelser som varierer i den motsatte retning av trykket som skal måles, hvorved disse linjer samvirker med forsterkerne for således å danne to oscillatorer, karakterisert ved at differansen som etableres mellom de termiske variasjoner for de to oscillatorene kompenseres av en elektromagnetisk transmisjonslinje , innsatt i minst en av oscillatorsløyfene.