Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика
Владельцы патента RU 2670712:
Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам с пьезоэлектрическим датчиком, которые преобразуют величину переменных сил давления в электрический сигнал. Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика содержит первый пьезоэлектрический датчик, один электрод которого соединен первым проводом кабеля с отрицательным входом усилителя, с первыми выводами первого конденсатора и первого резистора, вторые выводы которых подключены к выходу усилителя, положительный вход которого соединен через второй резистор с общим проводом устройства, введен второй конденсатор, первый вывод которого подключен к положительному входу усилителя, второй вывод - к общему проводу устройства, а второй электрод первого пьезоэлектрического датчика подключен через последовательно соединенные «n» пьезоэлектрических датчиков положительному входу усилителя. Изобретение обеспечивает повышение точности устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам с пьезоэлектрическим датчиком, которые преобразуют величину переменных сил давления в электрический сигнал.
Известно устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика [Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерители физических величин // Л.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 116, рис. 6а]. В устройстве один электрод пьезоэлектрического датчика первым проводом кабеля соединен с положительным входом усилителя. Отрицательный вход усилителя через первый резистор соединен с общим проводом устройства и через второй резистор с выходом усилителя. Второй электрод пьезоэлектрического датчика вторым проводом кабеля подключен к общему проводу устройства, который соединен через третий резистор с положительным входом усилителя. Данное устройство усиливает напряжение, возникающее на пьезоэлектрическом датчике при воздействии на него переменной силы давления, согласно выражению:
где: К - коэффициент преобразования устройства;
Uвых - напряжение на выходе усилителя;
ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;
R1, R2 - величины сопротивлений первого и второго резисторов;
С - емкость пьезоэлектрического датчика;
Ck - емкость кабеля;
Свх - емкость входа усилителя.
Недостатком устройства является малая точность преобразования силы давления в электрический сигнал. Указанный недостаток обусловлен зависимостью значений параметров С,Ck и Свх устройства от температуры и от времени.
Известно также устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика [Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерители физических величин // Л.:, Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 116, рис. 6б], которое принимаем за прототип. В этом устройстве первый электрод пьезоэлектрического датчика подключен первым проводом кабеля к отрицательному входу усилителя и к первым выводам первого конденсатора и первого резистора. Вторые выводы конденсатора и резистора подключены к выходу усилителя. Положительный вход усилителя через третий резистор соединен с общим проводом устройства, к которому подключен также другой электрод пьезоэлектрического датчика.
При действии переменных сил давления данное устройство усиливает напряжение, возникающее на пьезоэлектрическом датчике согласно выражению:
где: K - коэффициент преобразования устройства;
Ky - коэффициент усиления усилителя;
C1 - емкость первого конденсатора.
При коэффициенте усиления усилителя Ky>105 коэффициент преобразования устройства равен:
Недостатком устройства является малая точность. Указанный недостаток обусловлен:
- Наличием в выходном сигнале устройства составляющей погрешности, обусловленной появлением синфазных помех на входе усилителя, наводимых в кабеле при воздействии на устройство электрического и магнитного полей. В данном устройстве сигнал синфазной помехи воздействует только на один отрицательный вход усилителя. Потенциал на положительном входе обнуляется за счет соединения его через резистор с общим проводом. В результате на входе усилителя образуется разность напряжений, которая вносит в результаты измерений погрешность.
- Наличием в выходном сигнале устройства составляющей погрешности, обусловленной тепловыми шумами усилителя (явление известное из теории электронных устройств).
При напряжении выходного сигнала устройства:
где: U - напряжение на пьезоэлектрическом датчике,
составляющая напряжения от действия тепловых шумов усилителя будет определяться соотношением:
где: Uшу - напряжение источника тепловых шумов усилителя.
При этом соотношение «сигнал-шум» на выходе устройства будет равно:
Решаемая техническая проблема - совершенствование устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал.
Достигаемый технический результат, обеспечиваемый изобретением - повышение точности устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, содержащем первый пьезоэлектрический датчик, один электрод которого соединен первым проводом кабеля с отрицательным входом усилителя, с первыми выводами первого конденсатора и первого резистора, вторые выводы, которых подключены к выходу усилителя, положительный вход которого соединен через второй резистор с общим проводом устройства, введен второй конденсатор, первый вывод которого подключен к положительному входу усилителя, второй вывод, к общему проводу устройства, а второй электрод первого пьезоэлектрического датчика подключен через последовательно соединенные «n» пьезоэлектрических датчиков с положительным входом усилителя.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг. 1.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
D - первый пьезоэлектрический датчик;
n - количество последовательно соединенных пьезоэлектрических датчиков;
1, 2 - провода кабеля;
3 - эквивалентный источник тепловых шумов (введен в схему условно для пояснения принципа ее функционирования);
4 - усилитель;
5 - общий провод устройства;
C1, С2 - первый и второй конденсаторы, соответственно;
R1, R2 - первый и второй резисторы, соответственно.
Как показано на фиг. 1 предлагаемое устройство состоит из первого пьезоэлектрического датчика D, который одним электродом через провод 1 кабеля соединен с первыми выводами первого резистора R1 и первого конденсатора С1, а также с отрицательным входом усилителя 4. Выход усилителя 4 является выходом устройства и соединен со вторыми выводами первого резистора R1 и первого конденсатора С1. Другой электрод первого пьезоэлектрического датчика D подключен через последовательно соединенных «n» (n - количество пьезоэлектрических датчиков) пьезоэлектрических датчиков и через провод 2 кабеля с положительным входом усилителя 4, а также с первыми выводами второго конденсатора С2 и второго резистора R2. Вторые выводы конденсатора С2 и резистора R2 подключены к общему проводу 5 устройства.
Работает устройство следующим образом. При воздействии на датчики переменных сил давления вырабатывается напряжение:
где: U - напряжение на одном пьезоэлектрическом датчике.
Данное напряжение в цепи датчиков создает ток IΣ:
где ƒ - частота воздействия переменных сил давления, определяющая частоту сигнала на входе усилителя 4;
- суммарная емкость последовательно соединенных пьезоэлектрических датчиков.
На рабочих частотах, определяемых соотношением:
при условии, что величины R1=R2, C1=C2, данный ток IΣ создает на конденсаторах С1 и С2 напряжения:
где ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;
Выходное напряжение устройства при этом равно:
Коэффициент преобразования устройства будет равен:
Из сравнения коэффициентов преобразования предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип следует, что значение коэффициента предлагаемого устройства в два раза больше, чем устройства взятого за прототип. То есть, получаем повышение точности измерения слабых сигналов пьезоэлектрических датчиков.
Из сравнения функционирования предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип в условиях воздействия магнитного и электрического полей следует:
При воздействия на предлагаемое устройство магнитного и электрического полей в проводах 1 и 2 кабеля появляется синфазная помеха. Синфазная помеха, действующая на провода 1 и 2 кабеля в виде одинаковых напряжений, поступает одновременно на положительный и отрицательный входы усилителя 4. При равных значениях емкостей С1 и С2 и сопротивлений резисторов R1 и R2 эти помехи не создают дополнительной разницы напряжений на входе усилителя 4 и его выходной сигнал не меняется.
В способе, взятом за прототип, помеха поступает только на один вход, что является источником появления составляющей погрешности.
То есть, получаем повышение точности измерения выходного сигнала пьезоэлектрических датчиков в условиях воздействия магнитного и электрического полей.
Из сравнения соотношения «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип следует:
- При работе предлагаемого устройства в усилителе 4 возникают тепловые шумы. Напряжение тепловых шумов на выходе устройства определяется соотношением:
Соотношение «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства равно:
Из сравнения коэффициентов δ1 и δ2, характеризующих соотношение «сигнал-шум» устройства взятого за прототип и предлагаемого устройства:
следует, что соотношение «сигнал-шум» предлагаемого устройства в (n+1) раз больше, чем устройства взятого за прототип. Это позволяет в предлагаемом устройстве уменьшить составляющую погрешности, обусловленную тепловыми шумами, повысить его точность. Таким образом, заявляемый технический результат достигнут.
На предприятии предлагаемое устройство изготовлено, проведены его испытания и получены положительные результаты. В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования предлагаемого технического решения при производстве и эксплуатации гидроакустических систем.
Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, содержащее первый пьезоэлектрический датчик, один электрод которого соединен первым проводом кабеля с отрицательным входом усилителя, с первыми выводами первого конденсатора и первого резистора, вторые выводы которых подключены к выходу усилителя, положительный вход которого соединен через второй резистор с общим проводом устройства, отличающийся тем, что введен второй конденсатор, первый вывод которого подключен к положительному входу усилителя, второй вывод - к общему проводу устройства, а второй электрод первого пьезоэлектрического датчика подключен через последовательно соединенные «n» пьезоэлектрических датчиков к положительному входу усилителя.
