Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика

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;

U_вых - напряжение на выходе усилителя;

ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;

R₁, R₂ - величины сопротивлений первого и второго резисторов;

С - емкость пьезоэлектрического датчика;

C_k - емкость кабеля;

С_вх - емкость входа усилителя.

Недостатком устройства является малая точность преобразования силы давления в электрический сигнал. Указанный недостаток обусловлен зависимостью значений параметров С,C_k и С_вх 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;

K_y - коэффициент усиления усилителя;

C₁ - емкость первого конденсатора.

При коэффициенте усиления усилителя K_y>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: U_шу - 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 I_Σ:

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 I_Σ 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.