Пьезоэлектрический акселерометр

 

Акселерометр предназначен для использования в области измерения параметров механических колебаний. Акселерометр содержит пьезопреобразователь, соединенный первым электродом со вторым выводом первого токоограничивающего резистора. Первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и затвором полевого транзистора. Исток полевого транзистора соединен с первым выводом третьего резистора. Второй вывод третьего резистора соединен со вторым электродом пьезопреобразователя, вторым выводом четвертого резистора, стоком полевого транзистора с изолированным затвором и через линию связи с общим выводом источника питания и регистратора. Сток полевого транзистора соединен с катодом первого токостабилизирующего диода, первым выводом пятого резистора и затвором полевого транзистора с изолированным затвором. Второй вывод пятого резистора соединен со вторым выводом второго резистора и первым выводом четвертого резистора. Исток полевого транзистора с изолированным затвором соединен с анодом первого токостабилизирующего диода и через линию связи с катодом второго токостабилизирующего диода и первым выводом разделительного конденсатора. Второй вывод конденсатора соединен с регистратором. Анод второго токостабилизирующего диода подключен к источнику питания. Обеспечивается расширение диапазона питающих токов и напряжений предусилителя и увеличение динамического диапазона. 1 ил.

Изобретение относится к области измерения параметров механических колебаний. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является пьезоэлектрический акселерометр (см. Патент на изобретение N 2097772, кл. МКИ G 01 P 15/09. Архипкин Н.Ф., Кирпичев А.А., Редюшев А.А. Опубл. 27.11.97), содержащий последовательно соединенные пьезопреобразователь и предусилитель, при этом предусилитель разделен на две части, одна из которых расположена в корпусе акселерометра и содержит усилительный каскад согласования, а другая часть предусилителя содержит согласующий резистор и разделительный конденсатор и расположена вне корпуса акселерометра, причем обе части соединены между собой двухпроводной линией связи.

Недостатками данного устройства являются узкий динамический диапазон измеряемого ускорения и ограниченность работы предусилителя только при фиксированных значениях напряжения и тока источника питания.

Решаемой технической задачей является усовершенствование схемы предусилителя с целью расширения динамического диапазона и работы в широком диапазоне напряжений и токов источника питания.

Поставленная задача решается тем, что пьезоэлектрический акселерометр, содержащий пьезопреобразователь и предусилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе пьезоэлектрического акселерометра и включает каскад усиления на полевом транзисторе и трех резисторах, а вторая часть предусилителя расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор, отличающийся тем, что в каскад усиления дополнительно введен первый токостабилизирующий диод, резистивный делитель, и полевой транзистор с изолированным затвором, затвор которого соединен с первым выводом резистивного делителя, катодом токостабилизирующего диода и стоком полевого транзистора, затвор которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора соединен с пьезопреобразователем, исток полевого транзистора соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом резистивного делителя, пьезопреобразователем, стоком полевого транзистора с изолированным затвором и через двухпроводную линию связи с общим выводом источника питания и регистратора, второй вывод второго резистора соединен со средней точкой резистивного делителя, исток полевого транзистора с изолированным затвором соединен с анодом токостабилизирующего диода с первым выводом разделительного конденсатора и катодом второго токостабилизирующего диода дополнительно введенного во вторую часть предусилителя, анод которого соединен с источником питания, второй вывод разделительного конденсатора соединен с регистратором.

Расширение динамического диапазона достигается тем, что в усилительном каскаде предусилителя применяется динамическая нагрузка, в качестве которой использованы первый токостабилизирующий диод, и дополнительный резистивный делитель, обеспечивающий оптимальный режим работы полевого транзистора при заданном коэффициенте усиления.

Работа предусилителя в широком диапазоне напряжений и токов источника питания достигается тем, что во второй части предусилителя применен второй токостабилизирующий диод, а в первой части предусилителя используется полевой транзистор с изолированным затвором, работающий в режиме истокового повторителя.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический акселерометр.

Пьезоэлектрический акселерометр содержит пьезопреобразователь 1, соединенный первым электродом со вторым выводом токоограничивающего резистора 2. Первый вывод резистора 2 соединен с первым выводом резистора 3 и затвором полевого транзистора 4. Исток полевого транзистора 4 соединен с первым выводом резистора 5. Второй вывод резистора 5 соединен со вторым выводом пьезопреобразователя 1, вторым выводом резистора 7, стоком полевого транзистора с изолированным затвором 9 и через линию связи с общим выводом источника питания и регистратора. Сток полевого транзистора 4 соединен с катодом токостабилизирующего диода 8, первым выводом резистора 6 и затвором полевого транзистора с изолированным затвором 9. Второй вывод резистора 6 соединен со вторым выводом резистора 3 и первым выводом резистора 7. Исток полевого транзистора с изолированным затвором 9 соединен с анодом токостабилизирующего диода 8 и через линию связи с катодом токостабилизирующего диода 11 и первым выводом разделительного конденсатора 10. Второй вывод конденсатора 10 соединен с регистратором. Анод токостабилизирующего диода 11 подключен к источнику питания.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии на акселерометр виброускорения на пьезопреобразователе 1 возникает полезный сигнал, который через резистор 2 поступает на затвор транзистора 4, где он усиливается. Для обеспечения необходимого режима работы транзистора 4 служат резисторы 5, 6, 7. Резистор 3 определяет входное сопротивление усилителя и потенциал на затворе транзистора 4. Резисторы 5, 6, 7 определяют коэффициент усиления. Токостабилизирующий диод 8 является динамической нагрузкой усилительного каскада. Усиленный сигнал поступает на затвор полевого транзистора с изолированным затвором 9, работающего как истоковый повторитель, динамической нагрузкой которого является токостабилизирующий диод. Далее сигнал, пропорционально ускорению через линию связи и разделительный конденсатор 10 поступает на регистратор.

Был изготовлен опытный образец, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявленного объекта. Были использованы следующие элементы: пьезопреобразователь 1, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-19 и имеющий кольцевую форму с размерами: наружный диаметр 10 мм, внутренний диаметр 6 мм, высоту 4 мм; полевой транзистор 4 - 2П3ОЗА; полевой транзистор с изолированным затвором 9 - IRFD 9014 фирмы "International rectifer"; резистор 2 - C2-23 1 кОм; резистор 3 - C2-33 1 ГОм; резистор 5 - C2-23 860 Ом; резистор 6 - C2-23 7,5 кОм;
резистор 7 - C2-23 390 Ом;
токостабилизирующий диод 8 - j507 фирмы "Vishay-Siliconix",
токостабилизирующий диод 11 - j508 фирмы "Vishay-Siliconix";
конденсатор 10 - К53-1 мкФ.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий пьезообразователь и предусилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе пьезоэлектрического акселерометра и включает каскад усиления на полевом транзисторе и трех резисторах, а вторая часть предусилителя расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор, отличающийся тем, что в каскад усиления дополнительно введен первый токостабилизирующий диод, резистивный делитель и полевой транзистор с изолированным затвором, затвор которого соединен с первым выводом резистивного делителя, катодом токостабилизирующего диода и стоком полевого транзистора, затвор которого соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора соединен с пьезопреобразователем, исток полевого транзистора соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом резистивного делителя, пьезопреобразователем, стоком полевого транзистора с изолированным затвором и через двухпроводную линию связи с общим выводом источника питания и регистратора, второй вывод второго резистора соединен со средней точкой резистивного делителя, исток полевого транзистора с изолированным затвором соединен с анодом токостабилизирующего диода, с первым выводом разделительного конденсатора и катодом второго токостабилизирующего диода, дополнительно введенного во вторую часть предусилителя, анод которого соединен с источником питания, второй вывод разделительного конденсатора соединен с регистратором.

РИСУНКИ

Рисунок 1