Усилитель заряда для пьезодатчика (варианты)
Использование: для согласования высокоомного выхода пьезодатчика и измерительной аппаратуры. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона измеряемых виброскоростей и повышении достоверности функционирования. Усилитель заряда для пьезодатчика содержит операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, общие выводы резисторных делителей соединены с общей шиной, между выходом операционного усилителя и выходами резисторных делителей включены соответственно первый и второй дополнительные конденсаторы, произведение величины емкости которых на величину сопротивления соответствующего резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя соединен с общей шиной через третий дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
Изобретение относится к устройствам согласования высокоомного выхода пьезодатчика для контроля вибрации и измерительной аппаратуры для контроля вибрации.
Пьезоэлектрические датчики вибрации на собственной резонансной частоте имеют существенный подъем амплитудно-частотной характеристики. Превышение резонансного уровня над уровнем рабочего участка может превышать 50 дБ. При наличии входных воздействий на датчик составляющих с частотами, близкими к резонансным, или при ударных воздействиях формируются сигналы высокой амплитуды за счет подъема амплитудно-частотной характеристики на резонансе, который вызывает перегрузку входного усилителя, при которой этот усилитель попадает в состояние насыщения, что нарушает правильную работу обратной связи этого усилителя. В результате на выходе этого усилителя формируется длительный сигнал высокой амплитуды, представляющий ложное низкочастотное колебание, искажающее результаты измерения [IES Recommended Practice 012.
Для подавления высокочастотных составляющих, воздействующих на датчик, можно использовать механические фильтры между датчиком и контролируемым объектом. Однако коэффициент подавления таких фильтров может быть недостаточным, а само их применение зачастую невозможно, например, если датчик установлен в области высокой температуры [там же, стр.267].
Известны схемы зарядовых усилителей, в которых для подавления высокочастотных составляющих между датчиком и инвертирующим входом операционного усилителя, который соединен с выходом операционного усилителя через конденсатор обратной связи и через резистор обратной связи, включен дополнительный резистор [Holterman J. and J. van Amerongen, “Analog Controller Design for an Active Damping Element”, in: Proceedings of the 3rd IFAC Symposium on Mechatronic Systems, in: 3rd IFAC Symposium on Mechatronic Systems, September 6-8, 2004, Sydney, Australia, pp.
Недостатком данного технического решения является необходимость использования резисторов очень большой величины, подключенных к входу усилителя. Действительно, для обеспечения большого коэффициента передачи емкость конденсатора в цепи обратной связи должна быть сравнительно маленькой, что определяет большую величину резистора в цепи обратной связи, который определяет нижнюю граничную частоту пропускания. Для эффективного подавления высокочастотных составляющих величина входного резистора должна быть большой для обеспечения интегрирующей передаточной функции больше, чем величина резистора в цепи обратной связи. При такой величине резисторов не только возрастают шумы усилителя, но сам усилитель практически перестает быть усилителем заряда, утрачивая присущие ему преимущества (низкую зависимость от характеристик кабеля связи датчика и усилителя, пониженный уровень шумов и т.д.). Следует отметить, что включение резистора большой величины между пьезодатчиком и входом усилителя особенно сильно сказывается при повышении температуры пьезодатчика, поскольку его сопротивление утечки и сопротивление утечки соединительно кабеля быстро уменьшаются с ростом температуры и формируемые датчиком заряды стекают через эти резисторы, а не через указанный высокоомный резистор, что снижает коэффициент преобразования с ростом температуры.
Представленные ниже варианты изобретения объединены общим изобретательским замыслом, а именно реализация во входном каскаде усилителя заряда для пьезоакселерометра перехода от виброускорения к виброскорости, что подразумевает обеспечение высокого коэффициента преобразования для низкочастотных составляющих и низкого для высокочастотных составляющих. При этом, поскольку операционный усилитель такого каскада имеет спадающую амплитудно-частотную характеристику, на низких частотах можно обеспечить высокое усиление, следовательно, обеспечивается хорошее соотношение сигнал/шум и снимаются ограничения, связанные с присущим операционным усилителем спадом коэффициента передачи с повышением рабочей частоты. В указанных технических решениях такие характеристики достигаются за счет подключения резистора и конденсатора обратной связи с выходу частотно-зависимого делителя, коэффициент деления которого уменьшается с ростом частоты для частот выше нижней граничной частоты пропускания усилителя заряда.
Известен усилитель заряда для пьезоакселерометра, содержащий операционный усилитель, выход которого является выходом усилителя заряда и соединен с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с входом резисторного узла, входы операционного усилителя соединены с общей шиной и через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи с вторым выходом резистора [Патент US №6407631, Н.
Недостатками данного усилителя заряда является сравнительно низкая достоверность функционирования и малый динамический диапазон измеряемой виброскорости.
Известен усилитель заряда для пьезоакселерометра, содержащий операционный усилитель, выход которого является выходом усилителя заряда и соединен через первый резистор с первыми выводами второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через первый конденсатор соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого через второй конденсатор соединен с общей шиной [Datasheet Ultralow Noise, High speed BiFET Op Amp AD745. Analog Devices. Cтp.10, рис.16, 2002 г.].
Известен усилитель заряда для пьезодатчика, содержащий операционный усилитель, выход которого соединен с входом резистивного делителя и через конденсатор обратной связи с инверсным входом операционного усилителя, который является входом усилителя, а выход резистивного делителя соединен через резистор обратной связи с инверсным входом операционного усилителя, прямой вход которого соединен с общей шиной, которая соединена с общим выводом резистивного делителя [Патент США №6104120, МКИ H04L 41/08, Н.
кл. 310/319, 15 августа 2000 г.].
Недостатком этого устройства является малая помехоустойчивость к воздействию ударных импульсов и высокочастотных вибраций на датчики из-за возможной перегрузки операционного усилителя, что ограничивает его динамический диапазон и достоверность функционирования.
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является усилитель заряда для пьезодатчика по патенту США №4543536, МКИ H03F 3/68, Н. кл. 330/85, 24.09.1985 г.
Этот усилитель заряда для пьезодатчика, содержащий операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной.
Недостатком данного устройства является относительно узкий динамический диапазон и сравнительно малая достоверность измерений, связанная с возможностью перегрузки усилителя при ударных воздействиях на пьезодатчик и при воздействии высокочастотных вибраций.
Целью предлагаемого изобретения является расширение динамического диапазона и повышение достоверности функционирования за счет преобразования зарядового сигнала от пьезодатчика непосредственно в сигнал пропорциональный виброскорости, поскольку при этом существенно ослабляются высокочастотные составляющие сигналов от датчика.
Предлагаемые варианты реализации объединены единым замыслом, состоящим в том, что усилитель заряда выполняется с использованием делителей на выходе операционного усилителя отдельно для цепей обратной связи по постоянному току и по переменному току, причем указанные цепи выполняются частотно-зависимыми и реализующими преобразование сигналов отдатчика в сигнал виброскорости.
В первом варианте поставленная цель достигается тем, что в усилителе заряда для пьезодатчика, содержащем операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной, между выходом операционного усилителя и выходами первого и второго резисторного делителя включены соответственно первый и второй дополнительные конденсаторы, произведение величины емкости которых на величину сопротивления соответствующего резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя соединен с общей шиной через третий дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
Во втором варианте поставленная цель достигается тем, что в усилителе заряда для пьезодатчика, содержащем операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общие выводы первого и второго резисторных делителей соединены с общей шиной, между выходом операционного усилителя и выходами первого и второго резисторного делителя включены соответственно первый и второй дополнительные конденсаторы, произведение величины емкости которых на величину сопротивления соответствующего делителя между его входом и выходом больше величины обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
В третьем варианте поставленная цель достигается тем, что в усилителе заряда для пьезодатчика, содержащем операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы который через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной, между выходом операционного усилителя и выходом первого резисторного делителя включен первый дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления первого резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя соединен с общей шиной через второй дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
В четвертом варианте поставленная цель достигается тем, что в усилителе заряда для пьезодатчика, содержащем операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы который через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, между выходом операционного усилителя и выходом первого резисторного делителя включен первый дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления первого резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, прямой вход операционного усилителя через первый дополнительный резистор соединен с первой обкладкой второго дополнительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с общим выводом второго резисторного делителя, первая обкладка второго дополнительного конденсатора соединена с общей шиной через второй дополнительный резистор, произведение величины емкости второго дополнительного конденсатора на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, а общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной через третий дополнительный резистор и третий дополнительный конденсатор, который подключен параллельно третьему дополнительному резистору, а также через четвертый дополнительный конденсатор с дополнительным входом ограничительного узла.
На фиг.1 показана структурная схема усилителя заряда для пьезодатчика по второму варианту исполнения. На фиг.2 показана структурная схема усилителя заряда для пьезодатчика по первому варианту исполнения. На фиг.3 показана структурная схема усилителя заряда для пьезодатчика по третьему варианту исполнения. На фиг.4 показана структурная схема усилителя заряда для пьезодатчика по четвертому варианту исполнения. На фиг.5-10 показаны структурные схемы вариантов исполнения ограничительного узла, а на фиг.11-14 структурные схемы вариантов исполнения ограничительного элемента. На фиг.15 показан пример амплитудно-частотной характеристики предлагаемого усилителя заряда по виброскорости.
Усилитель заряда для пьезодатчика, как показано на фиг.1, содержит операционный усилитель 1, конденсатор обратной связи 2, резистор обратной связи 3, первый 4 и второй 5 резисторные делители и ограничительный узел 6, первый 7 и второй 8 входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый 9 и второй 10 выходы ограничительного узла 6 соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя 1, выход которого соединен с входами первого 4 и второго 5 резисторного делителя, выходы которого через соответственно конденсатор обратной связи 2 и резистор обратной связи 3 соединены с входом 11 входом обратной связи ограничительного узла 6 и инверсным входом операционного усилителя 1, общие выводы резисторных делителей соединены с общей шиной 12, между выходом операционного усилителя 1 и выходами первого 4 и второго 5 резисторных делителей включены соответственно первый 13 и второй 14 дополнительные конденсаторы, произведение величины которых на величину сопротивления соответствующего резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя 5 соединен с общей шиной 12 через третий дополнительный конденсатор 15, произведение величины которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
Резисторный делитель 5 содержит два резистора 16 и 17, которые соединены последовательно, а резисторный делитель 4 содержит два резистора 18 и 19, которые соединены последовательно.
Ограничительный узел содержит ограничительный резистор 21, который включен между первым входом 7 ограничительного узла и его входом обратной связи 11, который соединен через ограничительный конденсатор 22 с первым выходом 9 ограничительного узла 6, второй выход 10 которого соединен с его вторым входом 8, общей шиной 12 и через ограничительный элемент 23 с входом обратной связи 11 ограничительного узла 6.
Усилитель заряда для пьезодатчика, как показано на фиг.2, содержит операционный усилитель 1, конденсатор обратной связи 2, резистор обратной связи 3, первый 4 и второй 5 резисторные делители и ограничительный узел 6, первый 7 и второй 8 входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый 9 и второй 10 выходы ограничительного узла 6 соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя 1, выход которого соединен с входами первого 4 и второго 5 резисторного делителей, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи 2 и резистор обратной связи 3 соединены с входом обратной связи 11 ограничительного узла 6 и инверсным входом операционного усилителя 1, общие выводы первого 4 и второго 5 резисторных делителей соединены с общей шиной 12, между выходом операционного усилителя 1 и выходами первого 4 и второго 5 резисторных делителей включены соответственно первый 13 и второй 14 дополнительные конденсаторы, произведение величины емкости которых на величину сопротивления соответствующего делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
Усилитель заряда для пьезодатчика, как показано на фиг.3, содержит операционный усилитель 1, конденсатор обратной связи 2, резистор обратной связи 3, первый 4 и второй 5 резисторные делители и ограничительный узел 6, первый 7 и второй 8 входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый 9 и второй 10 выходы ограничительного узла 6 соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя 1, выход которого соединен с входами первого 4 и второго 5 резисторных делителей, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи 2 и резистор обратной связи 3 соединены с входом обратной связи 11 ограничительного узла 6 и инверсным входом операционного усилителя 1, общий вывод первого резисторного делителя 4 соединен с общей шиной 12, между выходом операционного усилителя 1 и выходом первого резисторного делителя 4 включен первый дополнительный конденсатор 13, произведение величины емкости которого на величину сопротивления первого резисторного делителя 4 между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя 5 соединен с общей шиной 12 через второй дополнительный конденсатор 15, произведение величины емкости которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
Усилитель заряда для пьезодатчика, как показано на фиг.4, содержит операционный усилитель 1, конденсатор обратной связи 2, резистор обратной связи 3, первый 4 и второй 5 резисторные делители и ограничительный узел 6, первый 7 и второй 8 входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика 20, первый 9 и второй 10 выходы ограничительного узла 6 соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя 1, выход которого соединен с входами первого 4 и второго 5 резисторных делителей, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи 2 и резистор обратной связи 3 соединены с входом обратной связи 11 ограничительного узла 6 и инверсным входом операционного усилителя 1, между выходом операционного усилителя 1 и выходом первого резисторного делителя 4 включен первый дополнительный конденсатор 13, произведение величины емкости которого на величину сопротивления первого резисторного делителя 4 между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, прямой вход операционного усилителя 1 через первый дополнительный резистор 21 соединен с первой обкладкой второго дополнительного конденсатора 15, вторая обкладка которого соединена с общим выводом второго резисторного делителя 5, первая обкладка второго дополнительного конденсатора 15 соединена с общей шиной 12 через второй дополнительный резистор 22, произведение величины емкости второго дополнительного конденсатора 15 на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, а общий вывод первого резисторного делителя 4 соединен с общей шиной 12 через третий дополнительный резистор 23 и третий дополнительный конденсатор 24, который подключен параллельно третьему дополнительному резистору 23, а также через четвертый дополнительный конденсатор 25 с дополнительным входом 26 ограничительного узла 6.
Ограничительный узел (фиг.1-3) содержит ограничительный резистор 27, ограничительный конденсатор 28 и ограничительный элемент 29, первый вход 7 ограничительного узла 6 соединен через ограничительный резистор 27 с входом обратной связи 11 ограничительного узла 6, который соединен через ограничительный конденсатор 28 с первым выходом 9 ограничительного узла 6, второй выход 10 которого соединен с общей шиной 12, вторым входом 8 ограничительного узла 6 и через ограничительный элемент 29 с входом обратной связи 11 ограничительного узла 6.
Ограничительный узел 6, как показано на фиг.4, содержит ограничительный резистор 27, ограничительный конденсатор 28 и ограничительный элемент 29, а также дополнительный ограничительный резистор 30 и дополнительный ограничительный конденсатор 31, первый 7 и второй 8 входы ограничительного узла соединены соответственно через ограничительный резистор 27 и дополнительный ограничительный резистор 30 соответственно с входом обратной связи 11 и дополнительным входом 26 ограничительного узла 6, первый 9 и второй 10 выходы которого соединены соответственно через ограничительный конденсатор 28 и дополнительный ограничительный конденсатор 31 с входом обратной связи 11 и дополнительным входом 26, между которыми включен ограничительный элемент 29.
В ограничительном узле, показанном на фиг.5, его первый вход 7 соединен через ограничительный резистор 27 с его входом обратной связи 11 и первым выходом 9, которые через ограничительный элемент 29 соединены с его вторым входом 8, общей шиной 12 и вторым выходом 10.
В ограничительном узле 6, как показано на фиг.6, его первый вход 7 соединен с входом обратной связи 11 и первым выходом 9, а второй выход 10 соединен с вторым входом 8 и общей шиной 12.
Как показано на фиг.7-10 возможны также другие варианты реализации ограничительно узла 6 с использованием ограничительного конденсатора 28 и дополнительного ограничительного резистора 30.
В качестве ограничительного элемента 29, как показано на фиг.11, использован двуханодный стабилитрон 32.
В качестве ограничительного элемента, как показано на фиг.12, использован двуханодный стабилитрон 32, первый анод которого является первым входом ограничительного элемента 29, а второй анод двуханодного стабилитрона 32 соединен с анодом первого 33 и катодом второго 34 диода, катод и анод которых соединены и являются вторым входом ограничительного элемента 29.
Ограничительный элемент 29, как показано на фиг.13, может быть выполнен и без использования двуханодного стабилитрона с использованием первого 33 и второго 34 диодов.
Ограничительный элемент, как показано на фиг.14, содержит первый 33 и второй 34 диоды, катод и анод которых объединены и являются первым входом ограничительного элемента 29, второй вход которого соединен с катодом и анодом третьего 35 и четвертого 36 диодов, аноды первого 33 и третьего 35 диодов соединены с шиной 37 отрицательного питания, а катоды второго 34 и четвертого 36 диодов соединены с шиной 38 положительного питания.
Усилитель заряда для пьезодатчика работает следующим образом. Под воздействием вибрации пьезодатчик 20 формирует зарядовый сигнал, поступающий на входы 7 и 8 ограничивающего узла 6. В зависимости от исполнения ограничивающий узел 6 обеспечивает передачу сигнала с его входов на его выходы непосредственно, как показано на фиг.6, или с ограничением максимально допустимого напряжения, при использовании ограничительного элемента 29, или с ограничением частотных составляющих, связанных с проявлением, например, пироэффекта, при использовании ограничительного конденсатора 28.
Сигнал с выходов ограничивающего узла 6 поступает на входы операционного усилителя 1, который преобразует входной сигнал в сигнал напряжения, который с его выхода через конденсатор обратной связи 2 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 1. Поскольку конденсатор 2 соединен с выходом делителя 4, на выходе операционного усилителя напряжение больше, чем на выходе делителя, пропорционально коэффициенту деления. Наличие конденсатора 13 обеспечивает частотную зависимость коэффициента деления, причем на частоте ниже нижней граничной частоты пропускания влияние конденсатора 13 на коэффициент передачи мало и общий коэффициент передачи оказывается максимальным. В рабочем диапазоне частот влияние конденсатора 13 проявляется в снижении коэффициента передачи делителя пропорционально частоте, что обеспечивает также и общее снижение коэффициента передачи устройства пропорционально частоте, что и дает формирование на выходе сигнала, пропорционального виброскорости, воздействующей на пьезоакселерометр. На более высоких частотах конденсатор 13 пропускает сигнал с выхода операционного усилителя 1 на выход делителя и пропорциональность спада коэффициента передачи частоте для всего устройства нарушается. Для таких сравнительно высоких частот, если они попадают в рабочий диапазон устройства, спад частотной характеристики обеспечивается влиянием сравнительно малого резистора 21. В большинстве случаем при соотношении верхней и нижней рабочей частоты, не превышающей нескольких сотен, использовать резистор 21 для коррекции амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот по виброскорости не требуется.
Поскольку с одной стороны емкость конденсатора 2 должна быть существенно меньше емкости конденсатора 13, в делителе 4 используются относительно малые по величине резисторы. С другой стороны, для обеспечения режима операционного усилителя 1 по постоянному току используется резистор 3, величина которого сравнительно велика. Благодаря использованию различных цепей обратной связи для переменной и постоянной составляющей удается обеспечить реализацию в них частотной зависимости при использовании приемлемых номиналов используемых резисторов и конденсаторов.
Величина резистора 18 R18 и величина емкости конденсатора 13 С13 выбираются таким образом, чтобы частота среза, обратно пропорциональная постоянной времени этой R18C13 цепочки, соответствующая спаду с крутизной 6 дБ/октаву, была ниже нижней рабочей частоты, измеряемой виброскорости
Аналогичное соотношение выполняется и для резистора 17 R17 и величины емкости конденсатора 15 C15:
На верхних частотах, когда реактивное сопротивление конденсатора 13 много меньше сопротивления резистора 18, коэффициент деления выходного напряжения операционного усилителя близок к единице, коэффициент преобразования определяется величиной конденсатора 2, а на частотах, близких к нижней граничной частоте, коэффициент передачи увеличивается пропорционально увеличению коэффициента деления.
Таким образом, в рабочем диапазоне частот усилитель обеспечивает реализацию частотной зависимости коэффициента передачи, соответствующей интегрированию входного сигнала ускорения, причем это выполняется непосредственно во входном каскаде-усилителе заряда. Поясняющее это АЧХ показана на фиг 15. Из-за того, что на верхних частотах частотная зависимость коэффициента деления меняется, АЧХ может иметь подъем на частотах верхних частот. Для дальнейшего расширения области рабочих частот в сторону ее увеличения в ограничительном узле можно использовать один или два ограничительных резистора, сравнительно малой величины, обеспечивающих спад АЧХ в области верхних частот. Это позволяет получить результирующее АЧХ по скорости с широким частотным диапазоном.
Даже значительный всплеск на АЧХ датчика 20, из-за интегрирующей характеристики во входном каскаде усилителя заряда, обеспечивает отсутствие перегрузки при воздействии на датчик высокочастотных вибраций и ударов, что обеспечивает повышение достоверности функционирования измерительного тракта, состоящего из датчика и усилителя заряда.
1. Усилитель заряда для пьезодатчика, содержащий операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной, отличающийся тем, что между выходом операционного усилителя и выходами первого и второго резисторного делителя включены соответственно первый и второй дополнительные конденсаторы, произведение величины емкости которых на величину сопротивления соответствующего резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя соединен с общей шиной через третий дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
2. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.1, отличающийся тем, что ограничительный узел содержит ограничительный резистор, ограничительный конденсатор и ограничительный элемент, первый вход ограничительного узла соединен через ограничительный резистор с входом обратной связи ограничительного узла, который соединен через ограничительный конденсатор с первым выходом ограничительного узла, второй выход которого соединен с общей шиной, вторым входом ограничительного узла и через ограничительный элемент с входом обратной связи ограничительного узла.
3. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.2, отличающийся тем, что в качестве ограничительного элемента использован двуханодный стабилитрон.
4. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.2, отличающийся тем, что в качестве ограничительного элемента использован двуханодный стабилитрон, первый анод которого является первым входом ограничительного элемента, а второй анод двуханодного стабилитрона соединен с анодом первого и катодом второго диода, катод и анод которых соединены и являются вторым входом ограничительного элемента.
5. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.2, отличающийся тем, что ограничительный элемент содержит первый и второй диоды, катод и анод которых объединены и являются первым входом ограничительного элемента, второй вход которого соединен с катодом и анодом третьего и четвертого диодов, аноды первого и третьего диодов соединены с шиной отрицательного питания, а катоды второго и четвертого диодов соединены с шиной положительного питания.
6. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.1, отличающийся тем, что ограничительный элемент содержит ограничительный резистор и ограничительный элемент, первый вход ограничительного узла соединен через ограничительный резистор с входом обратной связи ограничительного узла, его первым выходом и через ограничительный элемент с его вторым входом и вторым выходом, а также с общей шиной.
7. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.1, отличающийся тем, что в ограничительном узле его первый вход соединен с входом обратной связи и первым выходом, а второй выход соединен с вторым входом и общей шиной.
8. Усилитель заряда для пьезодатчика, содержащий операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общие выводы первого и второго резисторных делителей соединены с общей шиной, отличающийся тем, что между выходом операционного усилителя и выходами первого и второго резисторного делителя включены соответственно первый и второй дополнительные конденсаторы, произведение величины емкости которых на величину сопротивления соответствующего делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
9. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.8, отличающийся тем, что ограничительный узел содержит ограничительный резистор, ограничительный конденсатор и ограничительный элемент, первый вход ограничительного узла соединен через ограничительный резистор с входом обратной связи ограничительного узла, который соединен через ограничительный конденсатор с первым выходом ограничительного узла, второй выход которого соединен с общей шиной, вторым входом ограничительного узла и через ограничительный элемент с входом обратной связи ограничительного узла.
10. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.8, отличающийся тем, что ограничительный элемент содержит ограничительный резистор и ограничительный элемент, первый вход ограничительного узла соединен через ограничительный резистор с входом обратной связи ограничительного узла, его первым выходом и через ограничительный элемент с его вторым входом и вторым выходом, а также с общей шиной.
11. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.8, отличающийся тем, что в ограничительном узле его первый вход соединен с входом обратной связи и первым выходом, а второй выход соединен с вторым входом и общей шиной.
12. Усилитель заряда для пьезодатчика, содержащий операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной, отличающийся тем, что между выходом операционного усилителя и выходом первого резисторного делителя включен первый дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления первого резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, общий вывод второго резисторного делителя соединен с общей шиной через второй дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоте усилителя заряда для пьезодатчика.
13. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.12, отличающийся тем, что ограничительный узел содержит ограничительный резистор, ограничительный конденсатор и ограничительный элемент, первый вход ограничительного узла соединен через ограничительный резистор с входом обратной связи ограничительного узла, который соединен через ограничительный конденсатор с первым выходом ограничительного узла, второй выход которого соединен с общей шиной, вторым входом ограничительного узла и через ограничительный элемент с входом обратной связи ограничительного узла.
14. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.13, отличающийся тем, что в качестве ограничительного элемента использован двуханодный стабилитрон.
15. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.13, отличающийся тем, что в качестве ограничительного элемента использован двуханодный стабилитрон, первый анод которого является первым входом ограничительного элемента, а второй анод двуханодного стабилитрона соединен с анодом первого и катодом второго диода, катод и анод которых соединены и и являются вторым входом ограничительного элемента.
16. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.13, отличающийся тем, что ограничительный элемент содержит первый и второй диоды, катод и анод которых объединены и являются первым входом ограничительного элемента, второй вход которого соединен с катодом и анодом третьего и четвертого диодов, аноды первого и третьего диодов соединены с шиной отрицательного питания, а катоды второго и четвертого диодов соединены с шиной положительного питания.
17. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.13, отличающийся тем, что ограничительный элемент содержит ограничительный резистор и ограничительный элемент, первый вход ограничительного узла соединен через ограничительный резистор с входом обратной связи ограничительного узла, его первым выходом и через ограничительный элемент с его вторым входом и вторым выходом, а также с общей шиной.
18. Усилитель заряда для пьезодатчика по п.14, отличающийся тем, что в ограничительном узле его первый вход соединен с входом обратной связи и первым выходом, а второй выход соединен с вторым входом и общей шиной.
19. Усилитель заряда для пьезодатчика, содержащий операционный усилитель, конденсатор обратной связи, резистор обратной связи, первый и второй резисторные делители и ограничительный узел, первый и второй входы которого являются входами усилителя заряда для пьезодатчика, первый и второй выходы ограничительного узла соединены соответственно с инверсным и прямым входами операционного усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго резисторного делителя, выходы которых через соответственно конденсатор обратной связи и резистор обратной связи соединены с входом обратной связи ограничительного узла и инверсным входом операционного усилителя, отличающийся тем, что между выходом операционного усилителя и выходом первого резисторного делителя включен первый дополнительный конденсатор, произведение величины емкости которого на величину сопротивления первого резисторного делителя между его входом и выходом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, прямой вход операционного усилителя через первый дополнительный резистор соединен с первой обкладкой второго дополнительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с общим выводом второго резисторного делителя, первая обкладка второго дополнительного конденсатора соединена с общей шиной через второй дополнительный резистор, произведение величины емкости второго дополнительного конденсатора на величину сопротивления второго резисторного делителя между его выходом и общим выводом больше величины, обратной нижней граничной частоты усилителя заряда для пьезодатчика, а общий вывод первого резисторного делителя соединен с общей шиной через третий дополнительный резистор, и третий дополнительный конденсатор, который подключен параллельно третьему дополнительному резистору, а также через четвертый дополнительный конденсатор с дополнительным входом ограничительного узла.
| Технические характеристики | |||
|---|---|---|---|
| Количество каналов | 1 | ||
| Вход «Charge» | |||
| Тип разъема | BNC | ||
| Коэффициент усиления по заряду | 1 мВ/пКл | 10 мВ/пКл | 100 мВ/пКл |
| Максимальный входной заряд (пик) при КУ=1, не менее | 104 пКл | ||
| Рабочий диапазон частот с затуханием на границах минус 3 дБ, при коэффициенте нелинейных искажений менее 10%: | |||
| в диапазоне выходных напряжений не более 2,5 В (пик) | 0,1…100 000 Гц | ||
| в диапазоне выходных напряжений не более 5 В (пик) | 0,1…50 000 Гц | ||
| в диапазоне выходных напряжений не более 10 В | 0,2…30 000 Гц | ||
| СКЗ шума, приведенного ко входу, в режиме «Charge» для емкости датчика 1 нФ в диапазоне частот 0,1 Гц…20 кГц (при коэффициенте усиления 1 мВ/пКл), не более | 0,04 пКл | ||
| Вход «ICP» | |||
| Тип разъема | BNC | ||
| Коэффициент усиления по напряжению | 1 | 10 | 100 |
| Максимальное входное напряжение (пик) при КУ=1, не менее | 10 В | ||
| Рабочий диапазон частот с затуханием на границах минус 3 дБ, при коэффициенте нелинейных искажений менее 10% | |||
| в диапазоне выходных напряжений не более 2,5 В (пик) | 0,1…100 000 Гц | ||
| в диапазоне выходных напряжений не более 5 В (пик) | 0,1…50 000 Гц | ||
| в диапазоне выходных напряжений не более 10 В (пик) | 0,2…30 000 Гц | ||
| СКЗ шума, приведенного ко входу, в режиме «ICP» в диапазоне частот 0,1 Гц…30 кГц, не более | 20 мкВ | ||
| Общие характеристики | |||
| Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки коэффициента усиления на частоте 1 кГц при нормальных условиях | ±0,6 % (для КУ = 1) | ±0,6 % (для КУ = 10) | ±1,2 % (для КУ = 100) |
| Пределы допускаемой дополнительной погрешности установки коэффициента усиления в температурном диапазоне от 0 до плюс 40 °С | 0,5 % | ||
| Неравномерность АЧХ в диапазоне частот от 3 до 20000 Гц | ±0,5 % | ||
| Частоты среза встроенных ФВЧ со спадом АЧХ не менее 40 дБ/декаду и затуханием минус 3 дБ | 0,1 Гц | 1 Гц | 10 Гц |
| Тип разъема выхода | BNC | ||
| Максимальное выходное напряжение (пик), не менее | ±10 В | ||
| Выходное сопротивление (при токе нагрузки не более 10 мА, не более | 50 Ом | ||
| Режим питания датчиков со встроенным усилителем типа ICP: напряжение ток | 27 ± 3 В 3 ± 1 мА | ||
| Гальваническая развязка | |||
| сопротивление, не менее | 0,3 МОм | ||
| допустимое синфазное напряжение, не более | 260 В | ||
| Время установления рабочего режима, не более | 20 с | ||
| Время непрерывной работы, не менее | 8 ч | ||
| Напряжение питания от внешнего источника напряжения постоянного тока | 12±1 В | ||
| Ток потребления, не более | 230 мА | ||
| Габаритные размеры, не более | 156×132×35 мм | ||
| Масса, не более | 0,8 кг | ||
Измерительные преобразователи к датчикам заряда Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Анализ результатов проведенного исследования показывает, что увеличение относительной случайной погрешности результатов измерений отсчетов напряжения 8и с 0,01 % до 0,05 % приводит к увеличению погрешности определения параметров элементов цепи С1 , Я1 , С 2 , Я 2 с 1 % до 5 %,
т. е. для получения погрешностей совокупных измерений параметров элементов цепи не более 1% необходимо осуществлять измерения отсчетов выходного напряжения ИС с относительной погрешностью не более 0,01 %. Таким образом, для измерения отсчетов выходного напряжения ИС требуется многоразрядный (не менее 16 бит) АЦП, например, МСР3424 [9]. На входе АЦП должно быть включено быстродействующее устройство выборки и хранения (УВХ), например, ДБ781 [10]. УВХ должно запоминать текущее значение входного напряжения по заднему фронту управляющего импульса и хранить его до следующего отсчета в
такой же момент времени в следующем периоде входного воздействия. Для получения четырех отсчетов выходного напряжения ИС в указанные выше моменты времени необходимы четыре УВХ. Регистрация выходных напряжений УВХ может осуществляться поочередно одним АЦП с коммутатором, либо четырьмя АЦП, постоянно подключенными к «своим» УВХ. Последний вариант предпочтительнее, поскольку при этом не добавляется дополнительная составляющая погрешности, обусловленная неидеальностью коммутатора и паразитными параметрами соединительных проводников.
Заключение
Рассмотренный подход к оценке погрешностей совокупных измерений параметров многоэлементных электрических цепей позволяет сформулировать требования к средствам получения отсчетов выходного напряжения измерительной схемы в фиксированные моменты времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.
2. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / А.И. Мартяшин, К.Л. Куликовский, С.К. Куроедов, Л.В. Орлова; Под ред. А.И. Мартяшина. – М.: Энергоатомиздат, 1990. -216 с.
3. Синтез измерительного преобразователя для измерения проводимости кондуктометрического датчика / Кулапин В.И., Колдов А.С. // Надежность и качество – 2 017: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2017. – Том 1. – С. 250 – 251.
4. Определение параметров двухполюсников по значениям дискретных отсчетов выходного напряжения измерительной схемы / А.В. Светлов и др. // Измерительная техника. – 1999. – № 8. – С. 19 – 22.
5. Мартяшин А.И., Светлов А.В. Перспективные направления развития измерителей параметров многоэлементных электрических цепей // Актуальные проблемы науки и образования: Труды международ. юбилейного симпоз.: В 2-х т. Т.2. – Пенза: Информационно-издательский центр Пенз. гос. ун-та, 2003. – С. 288 – 290.
6. Колдов, А.С. Совокупные измерения электрических параметров пьезокерамических элементов / А.С. Колдов, Е.А. Ломтев, Н.В. Родионова, А.В. Светлов, Б.В. Цыпин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2015. – № 2 (34). – С. 123 – 135.
7. Колдов, А.С. Методика совокупных измерений параметров пьезокерамических элементов с использованием синусоидальных сигналов / А.С. Колдов, Н.В. Родионова, А.В. Светлов // Надежность и качество – 2 015: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. – Том 2. -С. 44 – 46.
8. Баранов В.А., Данилов А.А., Шумарова С.А. Оценивание погрешностей измерений параметров комплексного сопротивления методом Монте-Карло // Современные проблемы науки и образования. – 2013. -№ 5. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/-view?id=102 05
9. MCP3422/3/4. 18-Bit, Multi-Channel ДЕ Analog-to-Digital Converter with I2CTM Interface and OnBoard Reference. – Microchip Technology Inc. URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/De-viceDoc/22088c.pdf.
10. AD781. Complete 700 ns Sample-and-Hold Amplifier. – Analog Devices, Inc., 2004. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7 81.pdf■
УДК 621.317.73
Кулапин В.И., Волкова К.Ю., Родионова Н.В., Евсеева Е.А.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ К ДАТЧИКАМ ЗАРЯДА
Ключевые слова:
ФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, ДАТЧИК, НАГРУЗКА
Основой любой информационно-измерительной системы (НИС) и информационно-управляющей системы (НУС) являются первичные датчики. В современных электронных системах они преобразуют входные параметры неэлектрических физических величин в пропорциональный электрический сигнал. Датчики делятся на три большие группы: генераторные датчики, параметрические датчики и комбинированные датчики. [1]
В генераторных датчиках измеряемая величина вызывает генерацию на выходе электрического сигнала – тока, напряжения, заряда, частоты (I, и, дг £). Они являются активными датчиками, в которых наиболее часто используются термоэлектрический эффект, пьезоэффект, фотоэффект, эффект электромагнитной индукции и другие.
В параметрических датчиках под действием входной величины изменяются параметры сопротивления, индуктивности, емкости, пропускания (К, Lr С, т) и т.д. Они являются пассивными и позволяют косвенно судить о физической величине путем включения такого датчика в электрическую цепь.
ДАТЧИК ЗАРЯДА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ,
Промежуточное положение занимают комбинированные датчики, в которых для получения результата используется целая цепь последовательных преобразований. Например, датчики давления могут быть разработаны по схеме: давление – деформация мембраны – изменение сопротивления тензодатчика, закрепленного на мембране – изменение выходного электрического сигнала мостовой схемы.
В последнее время введено понятие «интеллектуальные» и интегрированные датчики. [7] Такие датчики оснащаются встроенными микропроцессорами, которые работают по достаточно сложным алгоритмам и позволяют придать измерительным приборам многие дополнительные функциональные возможности, такие как фильтрация сигналов, коррекция, обнаружение отказов, линеаризация статической характеристики, реконфигурация измерительной схемы и т. п. [3] Тем не менее основой этих приборов являются первичные датчики (сенсоры), знание основ функционирования которых является необходимым условием грамотного применения датчиков в инженерной практике.
Значительное развитие в последнее время получили плёночные датчики, в которых входной параметр измеряемой физической величины преобразуется в электрический заряд. Основными представителями такого класса генераторных измерителей считаются пьезокристаллические и пьезоплёночные датчики.
Пьезоэлектрические датчики. [5] Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочув-ствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.
Пьезоэлектрические датчики позволяют решать многообразные задачи: для измерения механических параметров (усилий, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформаций и т. п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств контроля составов, концентраций газов, влажности, микромасс. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят датчики, выполненные на других физических принципах.
Пьезоэлектрические датчики можно разделить на два крупных класса в зависимости от физических эффектов, лежащих в их основе.
К первому классу относятся датчики, использующие прямой пьезоэффект. Они используются для измерения линейных и вибрационных ускорений, динамических и квазистатических давлений и усилий, параметров звуковых и ультразвуковых полей и др.
Ко второму классу относятся так называемые резонансные пьезодатчики. В их основе может лежать обратный пьезоэффект (резонансные пьезодат-чики на основе пьезоэлектрических резонаторов), а также обратный и прямой пьезоэффекты (резонансные пьезодатчики на основе пьезоэлектрических трансформаторов). Кроме того, в их основе лежат другие физические эффекты (тензочувстви-тельность, акусточувствительнось, термочувствительность и др.), что позволяет использовать их для измерения статических и динамических давлений и усилий, линейных и вибрационных ускорений, концентраций веществ в газах, вязкости, углов наклона и др.
К перспективному направлению развития, относят пьезоэлектрические датчики температуры. При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибрации кварцевого кристалла от температуры. Именно на основе этого явления и реализуются пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является анизотропным материалом, резонансная частота пластины сильно
зависит от угла среза кристалла. Поэтому выбирая срезы АТ- и ВТ-, можно получить кристаллы, обладающие незначительной температурной чувствительностью. И наоборот, при использовании кристаллов других срезов можно реализовать датчики с ярко выраженной зависимостью частоты от температуры. Температурную зависимость резонансной частоты от температуры часто аппроксимируют полиноминальной зависимостью третьего порядка:
– = а0 + а1ДТ + а2ДТ2 + а3ДТ3,
где ДТ и Дf – температура и частотный сдвиг,
– частота калибровки, а а – коэффициенты аппроксимации.
Особый класс датчиков заряда представляют электростатические датчики. Для электростатических датчиков можно использовать электростатический измеритель датчиков заряда. Измерительный преобразователь заряда является одним из возможных вариантов измерений электростатических полей.
Каждый объект может накапливать на своей поверхности статическое электричество. Обычно в воздухе находятся либо положительные, либо отрицательные ионы. В идеальных статических условиях объемные заряды всех объектов равны нулю. Однако в реальных условиях любой объект может стать носителем электрических зарядов.
Между электродом и окружающими объектами всегда устанавливается электрическое поле[4], если хотя бы один из них является носителем зарядов. Все распределенные конденсаторы заряжаются статическими или слабо меняющимися электрическими полями. Когда вблизи электрода электростатического датчика нет движущихся объектов, электрическое поле там либо стационарно, либо меняется медленно.
Если носитель заряда (человек или животное) изменяет пространственное положение, статическое электрическое поле нарушается. Это приводит к перераспределению зарядов между переходными конденсаторами, включая те, которые созданы между входным электродом и окружающими объектами. Величина зарядов на поверхности объектов зависит от их природы и атмосферных условий. Поэтому электронная схема должна быть приспособлена к конкретным условиям, в которых ей предстоит работать.
Предназначение данной системы заключается в преобразовании переменных индуцированных зарядов на входах в электрические сигналы, которые далее усиливаются и поступают в устройства обработки данных. Таким образом, статическое электричество, являющееся обычным физическим явлением, можно использовать для формирования переменных электрических сигналов и для детектирования движения объектов. Построенный регистратор передвижения представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 Однополярный электростатический детектор движения
Он состоит из проводящего электрода, подключенного на вход аналогового преобразователя импеданса, реализованного на основе МОП транзистора 01, резистора смещения R1, входного конденсатора С0, усилителя и оконного компаратора. Вся схема кроме электрода экранируется. Электрод же подвержен воздействию окружающей среды и образует с внешними объектами емкостные связи. В данном случае источником статического электричества выступает человек, на поверхности которого распределены положительные заряды. Будучи
носителем зарядов, тело формирует в пространстве электрическое поле с напряженностью Е. В стационарных условиях, когда человек не двигается, напряженность поля остается постоянной, а входная емкость СО разряжается через резистор R1. Для того чтобы схема обладала высокой чувствительностью, сопротивление резистора R1 должно быть очень большим — порядка 1010 Ом и даже выше.
При движении человека напряженность электрического поля меняется. Это приводит к появлению
на входном конденсаторе С0 электрического заряда, что сказывается на величине напряжения на резисторе Я1, которое через разделительный конденсатор попадает на усилитель и далее на вход компаратора. Компаратор сравнивает пришедший сигнал с двумя пороговыми уровнями. При движении человека сигнал на входе компаратора отклоняется либо вверх, либо вниз, пересекая один из пороговых уровней. Выходной сигнал компаратора представляет собой серию прямоугольных импульсов, которая может быть подана в устройство обработки данных. Электростатические датчики относятся к пассивным схемам.
Существует несколько источников помех, которые могут привести к ложным срабатываниям электростатических детекторов: 60 или 50-ти герцовые сетевые наводки, электромагнитные поля от радиостанций, силовые электрические установки, молнии и т.д. Большинство перечисленных помех формирует вокруг детектора довольно равномерные электрические поля, которые могут быть скомпенсированы при использовании схемы с симметричными входами и высоким КОСС. Использование в качестве детектора ниже предложенной схемы значительно улучшает чувствительность и надёжность детектора.
Вместе с преобразователями применяют преду-силители, образующие две группы: усилители заряда и усилители напряжения.
Усилители заряда, выходное напряжение которых пропорционально поступающему на их вход заряду, не усиливают электрический заряд. Основное преимущество усилителей заряда заключается в том, что они совершенно исключают влияние длины соединительных кабелей на общую чувствительность и, следовательно, допускают применение соединительных кабелей любой длины. Изменение длины соединительного кабеля в системе, содержащей усилитель напряжения, обуславливает необходимость подстройки коэффициента усиления используемой аппаратуры и повторной калибровки системы.
В отличие от диэлектрических датчиков давления, пьезоэлектрические пленочные датчики относятся к датчикам генераторного типа. Датчики просты в изготовлении и не требуют источников питания. Основой их являются такие пьезополи-меры, как поливинилиденфторид (ПВДФ), поливинил-хлорид (ПВХ), имеющие конечную величину остаточной поляризации. Поляризованные пленки ПВХ используются, в основном, в качестве чувствительных элементов датчиков высокоскоростного удара.
Исходя из того, что датчики заряда являются маломощными устройствами, в эквивалентной схеме приходится учитывать не только сопротивление нагрузки, но и внутренний импеданс источника сигнала и емкость нагрузки, включая емкость соединительной линии. Эквивалентная схема такого датчика и входная цепь измерительного преобразователя, подключенного к нему, представлены на рисунке 2.
С,
Т
Сг + С„
усилителей с высоким входным сопротивлением. I ‘ос
Из приведенного выше выражения видно, что выходное напряжение схемы не зависит от емкости нагрузки. Коэффициент передачи для схемы будет размерной величиной и равен:
и™ 1 г В
к = –
Чс Сос 1-Кул]
Увеличение коэффициента передачи связано с уменьшением емкости обратной связи. Чтобы не использовать малые значения ёмкости, для повышения коэффициента передачи, возможно, применить емкостной Т-мост в цепи обратной связи преобразователя рисунок 4.
Схема представляет собой интегратор тока малых значений. [2] Выходное напряжение для этой схемы будет рассчитываться следующим образом:
и„
■ Сос V Rj
Рисунок 2 Эквивалентная схема датчика заряда
Для того чтобы не снизить влияние сопротивления Ян на датчик, его подключают к схеме с весьма большим сопротивлением нагрузки, тогда выходное напряжение можно рассчитать следующим образом:
Чс Чс
Преобразование обеспечения т можно вы-
полнить с помощью использования операционных
ВЫХ
Рисунок 4 Емкостной Т – мост
Использование резисторов с соотношением со-противлений100 позволяет увеличить выходное напряжение на 60 db. Входное сопротивление измерительного преобразователя будет:
вх Сос у R2J
Передаточная функция будет иметь размерность, и определяется входным сопротивлением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б. Топильский. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 232 с.
2. Корис Р., Шмидт-Вальтер X. Справочник инженера-схемотехника. – Москва: Техносфера, 2008. -608с.
3. Синтез измерительного преобразователя для измерения проводимости кондуктометрического датчика. Кулапин В.И., Колдов А.С. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2017г. -Т.1.С. 250-251.
4. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник. – Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.
5. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. – Москва: Техносфера, 2006. – 632 с.
6. Автоматическая система управления прецизионной посадкой беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на наземную платформу беспроводной зарядки. Князьков А.В., Кулапин В.И., Егорихин А.С., Шевцов П.В. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015г. -Т.1.С. 244-246.
УДК 629. 113.004
Мельников О.Н., Солодимова Г.А., Ишков А.С., Маркелов В.С.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Проведен анализ систем контроля объема дизельного топлива в топливных баках тепловозов. Установлено, что универсальные системы контроля позволяют измерять только уровень топлива. Однако в погрешность измерений объема топлива вносит серьезную лепту его тепловое расширение, особенно в осенне-зимний период. Рассматривается система контроля объема топлива, позволяющая учесть специфику измерения объема дизельного топлива на предприятиях железнодорожного транспорта. Ключевые слова:
ТЕПЛОВОЗ, ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО, МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
посредством стимулирования и повышения ответственности работников предприятия. Для этого необходимо иметь систему учета топлива, позволяющую при помощи датчиков – уровнемеров регистрировать изменение количества топлива в баке тепловоза при экипировке, сливах и в поездке, выявлять наиболее явные нарушения, которые могут допускать машинисты. На выходе такой системы должна формироваться самая простая форма контроля, которая может представлять собой визуализацию изменения количества топлива в баке тепловоза за любой период времени. Следует учесть, что при обнаружении фактов нецелевого использования (сливов) топлива доказательной базой могут быть только показания метрологически поверенной системы, поэтому система мониторинга уровня топлива должна быть сертифицирована как средство измерения.
Вторая цель – оценка качества работы (профессионализма) машинистов. Для ее достижения используются системы учета топлива на основе расходомеров и/или уровнемеров, а также оборудования, позволяющего регистрировать режимы работы тепловоза – скорость, пробег, позицию контроллера и др. Расходомеры, устанавливаемые в топливную магистраль дизеля, могут более точно отображать картину потребления им топлива, поскольку контролируют топливный трафик непосредственно в напорной и сливной магистралях, но не позволяют контролировать поступление топлива при экипировке и сливы. Уровнемеры, устанавливаемые в бак тепловоза, учитывают все возможные изменения количества топлива без разделения на потребление его дизелем и прочие потери. Это затрудняет анализ эффективности работы дизеля, но при этом решается задача контроля с допустимой погрешностью текущего количества топлива в баке. Выходные данные таких систем представляют собой результаты расшифровки регистрируемых параметров поездки, в которой динамика изменения количества топлива (потребляемого дизелем или находящегося в баке) сопоставляется с режимами работы тепловоза и экипировками локомотива в тот или иной промежуток времени.
Третья цель — удаленный мониторинг эксплуатации тепловоза с последующей оценкой его состояния, включая теплотехническое. Преследуя эту цель, на тепловоз устанавливают системы, обеспечивающие автоматическую регистрацию не только данных о расходе/поступлении топлива, позиции контроллера машиниста, скорости, пробеге и местоположении локомотива, но и целого ряда параметров работы его силовой установки (частоте вращения коленчатого вала, давлении и температуры рабочих жидкостей, мощности тягового гене-
Маневровая работа является неотъемлемой частью перевозочного процесса на железнодорожном транспорте. Для ее исполнения занято более 4 0 % эксплуатационного парка грузовых тепловозов. Затраты на содержание локомотивов маневрового движения составляют более 25 % от общих эксплуатационных расходов [1]. Основной статьей расходов являются затраты на топливо, поэтому снижение расхода топлива в процессе маневровой работы имеет существенное значение в топливно-энергетическом балансе локомотивных депо и железных дорог.
Основная часть. В настоящее время в локомотивных депо железных дорог учет, контроль и нормирование расхода топлива маневровыми тепловозами осуществляют следующим образом:
измерение уровня топлива в баке тепловоза проводится машинистом визуально по мерному стеклу, имеющему заводскую шкалу с ценой деления, равной 250 литров, например, для типового тепловоза типа ЧМЭ3 [2,3];
учет расхода топлива за смену работы локомотива осуществляется по разности количества топлива в баке тепловоза в начале и конце смены. Массовый расход топлива рассчитывается машинистом по объемному расходу и заданной плотности топлива, принимаемой постоянной в течение определенного промежутка времени;
нормирование расхода топлива осуществляется теплотехником по времени и виду выполняемой маневровой работы с учетом фактических расходов, достигнутых в предыдущее время.
Значительные погрешности определения количества топлива в баках тепловозов (средний объем топливных баков 3500 литров), невозможность анализа расхода топлива с учетом фактически выполненной работы и технического состояния локомотивов приводят к искусственному завышению нормативов расхода топлива локомотивами и открывают возможность для его использования не по назначению. Оценка эффективности работы тепловоза и машиниста затруднена, что приводит к отсутствию заинтересованности машинистов в экономии топлива.
Автоматизированные системы контроля уровня топлива достаточно широко используются в промышленности. Они отличаются принципами измерения и, следовательно, стоимостью. Каждый из методов имеет свои как преимущества, так и недостатки, поэтому чтобы выбрать наиболее подходящее оборудование, сначала следует определить его расчетную эффективность для достижения конкретной цели.
Первая и наиболее важная цель – сократить непроизводительный расход топлива на тягу поездов
ZET 440 Усилитель заряда
Продукция > Функциональная аппаратура > ZET 440
ОПИСАНИЕ:
-
усилитель заряда для пьезодатчиков
-
предназначен для усиления и преобразования выходных сигналов пьезоэлектрических первичных преобразователей с зарядовым выходом
-
предназначен для усиления и преобразования выходных сигналов преобразователей со встроенной электроникой типа ICP в напряжение
Предварительный усилитель ZET 440 предназначен для:
-
усиления и преобразования выходных сигналов пьезоэлектрических первичных преобразователей с зарядовым выходом
-
усиления и преобразования выходных сигналов преобразователей со встроенной электроникой типа ICP в напряжение
В комплекте с виброизмерительными преобразователями усилители могут применяться в системах технической диагностики и мониторинга в различных отраслях промышленности для измерений вибрационных и ударных ускорений, а также в лабораторных и научных исследованиях.
Позволяет подключать акселерометры с зарядовым выходом или стандарта ICP к анализаторам спектра и модулям АЦП/ЦАП. Позволяет подключать гидрофоны ВС 311 к анализатору спектра ZET 017.
-
Коэффициенты усиления 1, 10, 100.
-
Фильтр ФВЧ 0,1, 1, 10 Гц.
Предварительный усилитель ZET 440 применяется в системе поверки вибродатчиков для подключения образцового акселерометра АР10 к анализатору спектра ZET 017.
|
Параметр |
Ед. изм. |
Значение |
||
| Количество каналов | 1 | |||
| Вход “Charge” | ||||
| Тип разъема | BNC | |||
| Коэффициент усиления по заряду | мВ/пКл | 1 | 10 | 100 |
| Максимальный входной заряд (пик) при КУ=1, не менее | пКл | 104 | ||
Рабочий диапазон частот с
затуханием на границах минус 3
дБ, при коэффициенте нелинейных
искажений менее 10%:
|
Гц | 0,1…100 000 0,1…50 000 0,2…30 000 |
||
| СКЗ шума, приведенного ко входу, в режиме “Charge” для емкости датчика 1нФ в диапазоне частот 0,1 Гц…20 кГц (при коэффициенте усиления 1мВ/пКл), не более | пКл | 0,04 | ||
| Вход “ICP” | ||||
| Тип разъема | BNC | |||
| Коэффициент усиления по напряжению | 1 | 10 | 100 | |
| Максимальное входное напряжение (пик) при КУ=1, не менее | В | 10 | ||
Рабочий диапазон частот с
затуханием на границах минус 3
дБ, при коэффициенте нелинейных
искажений менее 10%:
|
Гц | 0,1…100 000 0,1…50 000 0,2…30 000 |
||
| СКЗ шума, приведенного ко входу, в режиме “ICP” в диапазоне частот 0,1 Гц…30 кГц, не более | пКл | 20 | ||
| Общие | ||||
| Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки коэффициента усиления на частоте 1 кГц при нормальных условиях | % | ±0,6 | ±0,6 | ±1,2 |
| Пределы допускаемой дополнительной погрешности установки коэффициента усиления в температурном диапазоне от 0 до плюс 40 °С | % | 0,5 | ||
| Неравномерность АЧХ в диапазоне частот от 3 до 20000 Гц | % | ± 0,5 | ||
| Частоты среза встроенных ФВЧ со спадом АЧХ не менее 40 дБ/декаду и затуханием минус 3 дБ | Гц | 0,1 | 1 | 10 |
| Тип разъема выхода | BNC | |||
| Максимальное выходное напряжение (пик), не менее | В | ±10 | ||
| Выходное сопротивление (при токе нагрузки не более 10 мА, не более | Ом | 50 | ||
Гальваническая развязка:
|
МОм В |
0,3 260 |
||
| Время установления рабочего режима, не более | с | 20 | ||
| Время непрерывной работы, не менее | ч | 8 | ||
| Напряжение питания от внешнего источника напряжения постоянного тока | М | 12 ± 1 | ||
| Ток потребления, не более | мА | 230 | ||
Принцип действия усилителя основан на преобразовании сигналов, поступающих от первичных преобразователей в низкоимпедансный сигнал напряжения. Усилитель может работать в режиме усилителя заряда или усилителя напряжения при работе с датчиками со встроенным усилителем типа ICP.
Для работы с датчиками с разными коэффициентами преобразования в усилителе предусмотрена возможность изменения (нормирования) коэффициента усиления для получения адаптированного значения выходного напряжения. Наличие встроенных фильтров верхних (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ) позволяет выбрать оптимальную полосу пропускания. Усилитель позволяет обеспечить индикацию включенного входного канал, установленного коэффициента усиления и выбранного для измерений фильтра верхних частот.
Конструктивно усилитель выполнен в виде переносного моноблока и включает в себя следующие функциональные узлы: усилитель заряда, усилитель напряжения, фильтры нижних частот, фильтры верхних частот, микроконтроллер. Питание усилителя осуществляется от внешнего блока питания постоянного тока с выходным напряжением 12 В.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ZETLABПрограммное обеспечение (ПО) имеет интуитивно понятный графический интерфейс управления и отображения результатов измерений.
Уровень защиты программного обеспечения от непреднамеренных и преднамеренных изменений соответствует требованиям МИ 3286-2010 – А.
КОМПЛЕКТ ПОСТАВКИ УСИЛИТЕЛЕЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ZET 440|
Наименование |
Количество |
|
Руководство по эксплуатации |
1 шт. |
|
Паспорт |
1 шт. |
|
Методика поверки по запросу |
1 шт. |
|
CD-диск с ПО ZETLab |
1 шт. |
|
Кабель HighSpeed USB 2.0 |
1 шт. |
|
Кабель соединительный BNC-BNC, длиной 60 см |
1 шт. |
Вибродатчики с зарядовым выходом подключаются ко входу “Charge”, акселерометры стандарта ICP подключаются ко входу ICP. Сигнал с датчика проходит фильтр верхних частот с частотой среза 0,1 или 1,0 или 10,0 Гц, затем — усилитель с коэффициентом усиления 1 или 10 или 100, далее через псевдогальваническую развязку сигнал поступает на выход ZET 440. Определение к какому входу усилителя (“Charge” или “ICP”) подключен вибродатчик осуществляется автоматически. Коэффициент усиления (чувствительность, коэффициент преобразования усилителя) и частоты среза фильтра верхних частота задаются программно в диспетчере устройств ZETLAB.
Сделать заказ и запросить дополнительную информацию по ZET 440 Вы можете здесь.
Назад
Схема несимметричная – Энциклопедия по машиностроению XXL
| Рис. 6.6. Схема несимметричного удара струн жидкости о криволинейную поверхность |
Схема несимметричных мальтийских крестов с внешним зацеплением показана на рис. IX.7. В этих механизмах периоды движения шайбы не равны между собой, так как пазы шайбы располагаются несимметрично. Для возможности движения в таких механизмах необходимо, чтобы число пазов z шайбы было кратно числу водил s, т. е. [c.161] Произведенное при решении этой задачи сравнительное исследование различных схем четырехполюсников R показывает значительное преимущество для диапазонного избирательного усилителя схемы несимметричного двойного Т-четырехполюсника с высоким соотношением импеданцев выходной и входных цепочек. Возможно применение как максимального [3], [5], так и нулевого варианта такого двойного Т-четырехполюсника. Их исследованию в настоящей работе уделено наибольшее внимание. [c.343]
| Рис. 4-5. Схема несимметричного распределения скоростей (за коленом и в диффузоре с углом расширения, ирн котором происходит отрыв струи) 4-15] |
| Рис. 5. Эквивалентные электрические схемы несимметричного пьезодатчика с несимметричным предусилителем заряда (а) и симметричного пьезодатчика с симметричным предусилителем заряда (б) |
Предварительные усилители заряда. На рис. 5, а приведена эквивалентная электрическая схема несимметричного пьезодатчика с несимметричным предусилителем заряда. Зависимость выходного напряжения предусилителя от заряда пьезодатчика в операторной форме имеет следующий вид [c.238]
Использование этой схемы фрезерования по сравнению с симметричной приводит к увеличению отклонений от плоскостности, вызываемых углом завала фрезы, на 10 % и к появлению дополнительной погрешности обработки отклонению от параллельности плоскостей детали в поперечном сечении, составляющему 20 % величины завала фрезы. Поэтому при выборе схемы обработки следует проверять возможность применения схемы несимметричного фрезерования по достижению заданной точности. [c.715]
Если на выходе трансформатора применена мостовая схема выпрямления, как, например, в схеме автоматической катодной станции, разработанной Академией коммунального хозяйства, можно включить тиристоры в катодную группу моста, а неуправляемые диоды — в анодную группу (создается так называемая несимметричная мостовая схема). Применение подобной схемы уменьшает общее число тиристоров, включаемых в установку, а также необходимое число каналов управления (два вместо четырех). Схема несимметричного моста непригодна для управляемых выпрямителей большой мощности из-за ряда недостатков, но в схемах автоматических защитных противокоррозионных устройств, мощность которых, как правило, не превышает 3—Ъ ква, ее использование целесообразно. [c.45]
Реле времени выполнено на транзисторах Т3—Т4 по схеме несимметричного мультивибратора. В исходном состоянии транзистор Т4 открыт электромагнитное реле УР (РЭС-22) возбуждено. Ток, проходящий по обмотке 1Р, удерживает якорь, контакт автоблокировки замкнут, конденсатор Се заряжен до полного напряжения на обмотке реле 1Р. [c.114]
| Рис. 33. Схемы несимметричных стрелочных переводов |
При фрезеровании торцовыми фрезами в ряде случаев можно применить схему несимметричного фрезерования, при которой интенсивность колебаний уменьшается. Кроме того, снижения интенсивности вибраций можно достичь применением фрез с [c.37]
Ha рис. 14.35,6 показана схема несимметричного фрезерования торцовыми фрезами, когда глубина фрезерования t > 0,50 и ось фрезы отстоит от геометрической оси обрабатываемой заготовки на расстояние е. Длина пути врезания [c.245]
| Рис. 12.10. Схема несимметричного элемента подвески. |
| Рис. 80. Схема несимметричной задачи заготовки (а) и схема действия сил при несимметричной задаче заготовки (б) |
Схема несимметрична относительно земли, что в значительной степени ограничивает возможность использования данного метода при высоких частотах. [c.956]
На фиг. 24, а показана схема несимметричного закона колебательного движения. [c.68]
Вибрации при фрезеровании вызываются прежде всего неравномерностью самого процесса фрезерования. Для устранения или уменьшения вибраций необходимо стремиться к тому, чтобы число одновременно работающих зубьев фрезы было бы как можно больше. При фрезеровании цилиндрическими фрезами следует соблюдать условия равномерного фрезерования, при фрезеровании торцовыми фрезами в ряде случаев можно применить схему несимметричного фрезерования, при которой интенсивность колебаний уменьшается. Кроме того, снижения интенсивности вибраций можно достичь применением фрез с неравномерным окружным шагом зубьев, а также путем соблюдения оптимальных геометрических параметров для данных условий обработки. Причинами появления вибраций могут быть также и следующие ослабленное крепление консоли, поперечных сала- [c.57]
Субстанциональная производная 23 Схема несимметричная. 402 [c.423]
Четвертый пример. Деталь изменена так, что оказалось целесообразно применить вынесенное сечение, но располагать его пришлось на свободном месте поля чертежа, так как места для расположения этой фигуры на продолжении следа секущей плоскости в данном конкретном случае не оказалось. Здесь, как показано на схеме, фигура сечения совмещена с плоскостью чертежа вращением вокруг следа секущей плоскости и затем сдвигом по направлению следа и перпендикулярно ему (в плоскости чертежа без поворота). Потребовалось дать соответствующую надпись А—А над вынесенным сечением, а на концах следа секущей плоскости, отмеченных разомкнутыми линиями, дать обозначение теми же буквами, которые применены при обозначении самого вынесенного сечения. У концов следа секущей плоскости необходимы стрелки как при симметричной, так и при несимметричной фигуре сечения. [c.49]Редукторы цилиндрические и цилиндро-червячные с прямозубыми и косозубыми зубчатыми колесами. На рис. 12.1 показаны конструкции входных валов цилиндрических редукторов, выполненных по развернутой схеме. В таких редукторах шестерню располагают несимметрично относительно опор, смещая ее ближе к опоре, противоположной участку вала, выступающего из редуктора. Так как на входной конец вала действует консольная нагрузка, то такое расположение шестерни приводит к более равномерному нагружению опор и распределению нагрузки по длине зуба. [c.189]При наличии библиотек моделей для каждого функционального элемента ЭЭС можно моделировать систему в целом. Для этого следует предварительно построить структурную схему математической модели ЭЭС с учетом структуры и режимов системы, а также конструктивных выполнений ее элементов. В качестве примера на рис. 7.11 представлена структурная схема модели одноканальной самолетной ЭЭС и несимметричной активно-индуктивной нагрузки. Составленная в соответствии с этой схемой совокупность уравнений моделей элементов и уравнений связи н представляет модель ЭЭС в целом. [c.227]
| Рис. 75. Схема энергетических уровней и переходов между ними, характеризующих возникновение симметрии частот в спектре поглощения и люминесценции молекул, уподобляемых гармоническому (а), ангармоническому (б) осциллятору возникновение несимметричных спектров (а) |
Схема установки для исследования решеток в сверхзвуковом потоке на входе показана на рис. XVI.4, г. Как обычно, решетка 1 смонтирована между двумя поворотными дисками 2. Несимметричное сопло Лаваля, состоящее из двух вставок Зк4, обеспечивает подвод потока со сверхзвуковой скоростью. Вставка 3 профилирована и закреплена неподвижно, вставка 4 может перемещаться [c.472]
Неявная схема переменных направлений является абсолютно устойчивой. Однако прогонка по границе при задании условий 3-го рода и при Вр >1 может стать источником осцилляций и существенных погрешностей на, первых шагах по времени. В программе (см. п. 5.3.1) эта трудность обходится путем представления оператора, описывающего теплообмен на границе, всегда в неявной форме, хотя это и снижает порядок аппроксимации вследствие появляющейся несимметричности схемы. [c.36]
Схема удвоения напряжения может быть и несимметричной (рис. 5-12, в). В тот полупериод, когда выпрямитель В/ пропускает ток, конденсатор С/ заряжается, а выпрямитель В2 забирает цепь конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения напряжения трансформатора (/,. В течение обратного полупериода выпрямитель В2 открыт и конденсатор С2 оказывается под напряжением, равным примерно 2(/, последовательно включенных обмотки трансформатора и заряженного конденсатора С/. [c.110]
Несимметричная схема может быть использована для испытания образцов с одним заземленным электродом, а также однополюсно-заземленных изоляционных конструкций, например проходных изоляторов. [c.110]
Широкополосные транзисторные МШУ строятся обычно по схеме несимметричного (рис. 5) или балансного апериодического У. э. к. с согласующими СВЧ-цепями на входе и выходе каждого каскада и реализуются в виде гибридных или полупроводниковых ИС. По шумовым параметрам охлаждаемые МШУ на арсенид-галлиевых полевых транзисторах с барьером Шотки практически не уступают охлаждаемым ППУ. [c.242]| Рис. S. Схема несимметричного полоскового усилителя электрических колебаний СВЧ на нолевом транзисторе, включённом с общим исюком. |
Поскольку йобз значительно меньше, чем Аовь то максимальный тормозной момент, развиваемый двигателем в симметричных схемах динамического торможения, значительно меньше, чем в схемах несимметричного соединения обмоток. Однако тормозной эффект в начальный период торможения прн переходе от естественной характеристики на тормозную может быть выше, поскольку критическое скольжение значительно больше s i. На рис. 7-27 приведены ме.ханические характеристики двигателя МТКНЗ12-4/12, рассчитанные для симметричной и несимметричной схем соединения быстроходной обмотки, которые иллюстрируют изложенные выше положения. [c.153]
На рис. 135 показана схема несимметричного фрезг рования деталей из жаропрочных сплавов. При значении /С, близком [c.217]
Основной недостатоток схемы — несимметричность. ГМ по такой схеме чаще всего выполняются с кинетическими моментами не более 20 Н-см-с (2-10 г-см /с). Схема закрытого симметричного ГМ (с.м. рис. 8.2, 6) применяется для создания ГМ с большими кинетическими моментами более 100 Н-см-с (10-10 г-см с). [c.193]
Редукторы цилиндрические с прямозубыми и косозубыми зубчатыми колесами. На рис. ХАЛ, а — а показаны конструкции входных валов цилиндрических редукторов, выполненных по развернутой схеме (см. табл. 1.3). В таких схемах шестерню располагают несимметрично относительно опор, смещая ее ближе к опоре, противоположной участку вала, выступающего из редуктора. Такое расположение шестерни приводит к более равномерному нагружению опор (так как на входном конце вала действует консольная нагрузка) и улучшает равномерность распределения нагрузки по длине зуба. Подшипник, находящийся вблизи шестерни, защищают маслоотражательными шайбами / от чрезмерного залива маслом, выдавливаемым вместе с продуктами износа из зубчагого зацепления. Если шайбы изготовлены из тонкого листового материала, то устанавливают дополнительно дистанционное кольцо 2, ширина которого больше ширины канавки на валу перед заплечиком вала. [c.250]
Организация взаимосвязей программных модулей при выполнении различных заданий осуществляется с помощью управляющих программ вероятностного анализа и расчета допусков на параметры. Так, например, с помощью управляющей программы вероятностного анализа удается реализовать такие логически сложные алгоритмы, как алгоритм оценки несимметричности энергопотребления и других рабочих показателей электродвигателей, работающих в составе. привода, возникающей из-за реального распределения входных параметров двигателей в пределах допусков. Укрупненная схема программной системы вероятностного анализа и определения допусков на параметры гиродвигателей приведена на рис. 6.44. [c.265]Установленные закономерности механического поведения неоднородных соединений оболочковых конструкций и предложенные на их основе расчетные методики оценки их несущей способности были получены исходя из предположения, что ослабленный участок соединений (мягкая гтрослойка) окружен твердым металлом с одинаковыми прочностными свойствами, однако на практике, особенно в сварных соединениях конструкций, выполненных из нагартованных термически упрочненных сталей и разнородных материалов, как было показано в разделе 2.1, имеет место несимметричная механическая неоднородность, которую условно можно отнести к схеме, приведенной на рис. 2.6,6 (пози- [c.164]
Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3
Пьезодатчик
Cтраница 3
В некоторых случаях пьезодатчики помещают снаружи ячейки. [31]
В современных устройствах пьезодатчик большей частью связывается коротким отрезком кабеля ( 1 – 1 5 м) с катодным повторителем, имеющим очень большое сопротивление входа гнг. [32]
Наименьшими габаритами характеризуются пьезодатчики ( особенно с биморфным элементом), магнитоупругие элементы и акселерометры с проволочными тензоэлементами. Вибрация особенно миниатюрных деталей исследуется при помощи фотоэлектрических и радиоактивных систем. Однако они требуют установки в непосредственной близости от объекта других элементов схемы ( фотоэлементов, фотоумножителей, ионизационных камер, осветителей, ширм, счетчиков, свинцовых домиков и пр. [33]
Наиболее целесообразно применять пьезодатчики для измерения быстроменяющихся давлений. Если давление изменяется медленно, то возрастает погрешность определения давления, обусловленная стеканием заряда с электродов на всех сопротивлениях утечки, включая входное сопротивление измерителя напряжения. [34]
Датчики виброускорения или пьезодатчики – наиболее распространенные в современных условиях. В них используются природные или искусственные материалы с пьезоэффектом. Если воздействовать на них с какой-либо силой, то на концах материала появится заряд, пропорциональный этой силе, т.е. измеряется не сила, а ускорение колебаний поверхности объекта. [35]
Так как емкость пьезодатчика и соединительных проводов мала, то даже при малых зарядах напряжение может доходить до сотен вольт. Для понижения напряжения до величины, необходимой для подачи на сетку электрометрической лампы ( 4 – 6 в), параллельно датчику включают конденсатор, емкость которого в десятки или сотни раз больше емкости цепи кварца. Такое емкостное шунтирование датчика не только снижает напряжение до требуемого уровня, но одновременно повышает постоянную времени. [36]
Несколько принципиальных схем пьезодатчиков представлено на фиг. [37]
Параллельное электрическое соединение пьезодатчиков, подвергающихся воздействию одной и той же силы ( датчики располагаются столбом – один над другим), позволяет увеличить их чувствительность. [38]
В измерительной цепи пьезодатчиков обычно используется усилитель с выходным сопротивлением R 1013 Ом с малой входной емкостью. [39]
Естественной выходной величиной пьезодатчиков является электрический заряд. Для преобразования заряда в более удобную для измерения и регистрации величину – напряжение постоянного тока служит электрометрический усилитель заряда. С выхода операционного усилителя на вход всей схемы замыкается отрицательная обратная связь через емкость Со. Потенциометр во втором плече дифференциального каскада служит для установки нуля усилителя. [40]
На торцах цилиндра находятся пьезодатчики. При воздействии на цилиндр воли тяготения он должен начать колебаться, что будет зарегистрировано пьезодатчмка. Предполагается, что чувствительность удастся повысить еще на один порядок – до 10 – 15 мм. Генератор гравитационного излучения устроен в сбщем так же. Его алюминиевый цилиндр приводится в колебания пьезоэлементами. [41]
В качестве основного элемента пьезодатчик содержит пластину ( или несколько пластин), вырезанную определенным образом из соответствующего кристалла. [42]
На рис. ХП-9-ХП-11 показаны пьезодатчики типа ДДТ-1 и ПД-1-100 и индикатор взрыва типа контактного реле давления. [44]
Ряд иностранных фирм рекламирует пьезодатчики фабрично-заводского изготовления, обладающие очень хорошими данными. [45]
Страницы: 1 2 3 4
| Поиск по сайту | В предлагаемом варианте детектора вибрации пьезоэлектрическая пластина от зуммера использована в качестве микрофона. Она имеет отчетливый пик частотной характеристики (в зависимости от типа зуммера) в области частот 1500…3000 Гц. Такая характеристика пластины позволяет с хорошей достоверностью обнаружить импульсные сигналы на фоне достаточно сильных шумов. Прижатая или приклеенная к стеклу пластина датчика мгновенно реагирует на шумы, возникающие при разрезании стекла алмазом, и не реагирует на шумы, создаваемые, например, проезжающим мимо транспортом. Сигнал от датчика ВМ1 усиливается (примерно в 100 раз) операционным усилителем DA1, выпрямляется диодом VD1 и осуществляет зарядку конденсатора С2 через резисторы R9 и R5. Скорость зарядки зависит от положения движка переменного резистора, которым регулируют чувствительность устройства. Когда напряжение на конденсаторе С2 достигнет порогового уровня срабатывания триггера на микросхеме DD1, последний переключается, открывает транзистор VT1 и включает реле К1 с задержкой на одну-две секунды. Питание устройства осуществляется от источника постоянного тока с напряжением 9…15 В. Стабильность питания микросхем обеспечивает стабилизатор DA2 в интегральном исполнении. Изготовление устройства по предлагаемой схеме не должно вызвать затруднений. В качестве реле К1 следует использовать малогабаритное с током срабатывания порядка 10… 20 мА и числом замыкающихся контактов, достаточным для выполнения охранных функций, например включения тревожного сигнала. Эффективность работы устройства зависит от способа его установки, в данном случае от установки самого датчика. Если необходимо защитить большое окно, то лучше датчик расположить непосредственно на стекле и экспериментальным путем выбрать такое его положение, при котором чувствительность устройства наибольшая. Но при этом надо обратить внимание, чтобы посторонние сопутствующие обстоятельства не оказывали на датчик воздействия — этим вы сохраните спокойствие свое и соседей. В конструкции устройства в качестве ОУ можно использовать микросхемы типов К154УД2, К544УД2, КР544УД2 с соответствующими цепями коррекции, в качестве интегрального стабилизатора напряжения — К142ЕН5А, КР142ЕН5А, DD1 – К561ЛЕ5. Транзистор VT1 кремниевый – КТ315Б, диод VD1 германиевый – ГД507А, VD2 – кремниевый Д223Б. |
обеспечивает формирование сигнала для
Аннотация: Описанная схема обеспечивает вывод тепла от пьезопленочного преобразователя. Схема представляет собой дифференциальный усилитель заряда с высоким входным сопротивлением, использующий три операционных усилителя в несколько классической конфигурации инструментального усилителя. Дифференциальный каскад подавляет тепловой шум, создаваемый резистором, и действует как фильтр верхних частот первого порядка. Обсуждается выбор значений компонентов и предлагаются некоторые типовые значения. Предлагаются альтернативные конфигурации для преодоления некоторых типичных ограничений схемы.
Пьезоэлектрические пленки (пьезопленки или пьезопленки) могут преобразовывать сигналы различными способами: электрические в механические (например, громкоговоритель), механические в электрические (микрофон) и тепловые в электрические (датчик температуры). В схеме , рис. 1 , пьезопленочный элемент выполняет термическое преобразование в электрическое и механическое преобразование в электрическое. Он предназначен для работы в качестве датчика температуры и лишь в некоторых случаях действует как микрофон.
Рис. 1. Этот усилитель предназначен для извлечения теплового сигнала пьезопленочного датчика.
Электрический аналог пьезопленочного датчика – конденсатор, включенный последовательно с источником напряжения. Датчик имеет высокий выходной импеданс и требует высокоомного буферного усилителя. Показанная схема включает в себя дифференциальный усилитель заряда, за которым следует несимметричный дифференциальный усилитель. Дифференциальная топология снижает наводку на линейный шум, что является проблемой в схемах с высоким коэффициентом усиления.
Двойной операционный усилитель (IC1) обеспечивает дифференциальный усилитель заряда с однополярным питанием и низким током питания.R1, R2 и небольшой байпасный конденсатор (C3) устанавливают входное синфазное напряжение на среднем уровне питания.
Тепловой шум, создаваемый этими резисторами, не усиливается дифференциальным усилителем. Вместо этого он появляется как синфазный сигнал на дифференциальных выходах и ослабляется подавлением синфазного сигнала на следующем этапе. Поскольку тепловой шум пропорционален сопротивлению, эта топология – за счет отсутствия усиления шума смещения – предлагает преимущество более низкого тока питания для заданной шумовой цели.
Коэффициент усиления переменного тока для дифференциального каскада устанавливается значениями C1 и C2 относительно емкости датчика (C EQ ). В этом случае C EQ измеряет 484 пФ на частоте 1 кГц с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) 5 кОм. Вы можете смоделировать датчик как источник дифференциального напряжения, подключенный последовательно с двумя конденсаторами номиналом 2C EQ . R3 и R4 мало влияют на высоких частотах, потому что в обратной связи преобладает реактивное сопротивление C1 и C2. В результате каждая половина схемы имеет коэффициент усиления C1 / C EQ = 96.
Дифференциальный усилитель также действует как фильтр верхних частот первого порядка. Чтобы упростить анализ, пусть C1 = C2 = C и R3 = R4 = R. Затем осмотр любой половины усилителя показывает полюс на 1 / 2πRC и усиление C EQ / C на бесконечной частоте. Коэффициент усиления по переменному току пропорционален C EQ / C, поэтому высокое усиление по переменному току подразумевает небольшой C. В этом случае C = 10 пФ и R = 44 МОм, что приводит к угловой частоте 360 Гц. Для хорошей низкочастотной характеристики R должно быть очень большим. Понижение угловой частоты означает увеличение значения R, но утечка на входе операционного усилителя, протекающая через большой резистор обратной связи, может вызвать большое напряжение смещения.Чтобы противостоять этому эффекту, показанный сдвоенный операционный усилитель представляет собой КМОП-устройство, выбранное из-за его небольшой входной утечки, которая составляет всего 1 пА.
Дифференциальное преобразование в несимметричное выполняется IC2 и резисторами R5, R6, R8 и R9. Показанные значения дают дифференциальное усиление 20.
Подавление линейного шума зависит от соответствия между C1 и C2, но конденсаторы с жесткими допусками дороги (в общем, это недостаток дифференциальных усилителей заряда). Однако, если вы не можете добиться идеального согласования, подавление первого порядка схемы все же лучше, чем у несимметричного усилителя.
Добавление усиления в дифференциально-несимметричный преобразователь ухудшает подавление синфазного сигнала. Чтобы избежать этой проблемы, вы можете заменить дифференциальную несимметричную схему на несимметричный дифференциальный преобразователь с единичным усилением и другой несимметричный каскад усиления.
Дисплей осциллографа (, рис. 2 ) демонстрирует пироэлектрические (тепловые) свойства этой схемы. Провал в следе вызван нагретым паяльником, который быстро прошел мимо датчика на расстоянии около шести дюймов.Акустический датчик датчика выдает меньшие сигналы на этой трассе. Их можно отменить, добавив дублирующую схему, которая реагирует на тот же окружающий акустический шум, но не на тепло.
Рис. 2. Паяльник, проходящий примерно в шести дюймах от датчика на рис. 1, вызвал это провал в выходной дорожке схемы.
Если вы хотите построить эту схему с использованием двойного операционного усилителя с меньшим корпусом, рассмотрите MAX4252 и MAX4253. Оба этих устройства поставляются в корпусе сверхвысокой емкости (UCSP).Они идентичны, за исключением того, что MAX4253 позволяет индивидуально отключать каждый из двух операционных усилителей, содержащихся в его корпусе. Эти устройства стабильны с единичным усилением с коэффициентом усиления разомкнутого контура 3 МГц и должны работать в этой схеме, несмотря на разницу в полосе пропускания между ними и операционными усилителями, показанными на рисунке 1. Обратите внимание, однако, что схема не тестировалась с либо MAX4252, либо MAX4253, но вместо этого с операционными усилителями, изображенными на Рисунке 1.
| ©, Maxim Integrated Products, Inc. |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 1127: ПРИМЕЧАНИЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ 1127, г. AN1127, AN 1127, г. APP1127, Appnote1127, Appnote 1127 |
maxim_web: en / products / analog / amps, maxim_web: en / products / sizes, maxim_web: en / products / interface / sensor-interface
maxim_web: en / products / analog / amps, maxim_web: en / products / sizes, maxim_web: en / products / interface / sensor-interface
Пьезо-предусилители
Пьезо-предусилители| Elliott Sound Products | пр.202 |
© Март 2020 г., Род Эллиотт (ESP)
Обновлено октябрь 2020 г.
Введение
Пьезоэлектрические преобразователи широко используются в различных областях.Их можно использовать как звукосниматели для различных музыкальных инструментов, таких как акустические гитары, скрипки, виолончели, контрабас (также известный как вертикальный бас), гавайские гитары и мандолины (и т. Д.), А также как акселерометры. В большинстве случаев входной импеданс должен быть где-то между «высоким» (1 МОм или около того) до , в исключительных случаях высоким (более 100 МОм). Почти все без исключения это означает вход на полевом транзисторе, входной операционный усилитель на полевых или полевых транзисторах. Хотя можно использовать операционные усилители с биполярным входом, это приведет к значительному снижению шума.Однако есть исключение из правила «высокого импеданса», которое будет рассмотрено позже (усилитель заряда)
.По незаметным для меня причинам я не описывал пьезоэлектрический предусилитель до этого, хотя я использовал пьезопреобразователи в ряде проектов, разработанных для клиентов. Я также экспериментировал с пьезопреобразователями. Основные принципы обсуждаются в статье High Impedance Input Stages / Project 161. Общие принципы обсуждаются довольно подробно, но его нельзя считать «истинным» проектом по нескольким причинам.
Для стартеров последняя схема (показанная на Рисунке 10 упомянутой статьи) требует использования резистора 1 ГОм, а его нелегко получить и они дороги. Схемы, представленные в статье / проекте, больше предназначены для специализированного настольного усилителя и не совсем подходят для звукоснимателей музыкальных инструментов. Схема значительно упрощена для музыкальных инструментов, потому что отклик ниже 40 Гц не нужен (самая низкая нота на традиционно настроенном контрабасе – E 1 – 41 Гц).Некоторые плееры настраиваются на C 1 (32 Гц), но это все еще легко приспособить с помощью схем, показанных ниже.
Три схемы показаны с использованием батареи 9 В и операционного усилителя OPA2134 (или NJM2068). Хотя OPA2134 – довольно дорогой операционный усилитель, у них намного меньше шума, чем у обычного TL072. Использование одной батареи 9 В для TL072 не рекомендуется, поскольку она не предназначена для работы при напряжении менее 10 В. Имейте в виду, что OPA2134 потребляет примерно вдвое больший ток питания, чем TL072, поэтому срок службы батареи будет сокращен.Щелочные батареи 9 В имеют типичную емкость около 580 мА / ч, поэтому при нагрузке ~ 10 мА они должны обеспечивать более 50 часов работы (включая светодиод). OPA2134 (или одиночный OPA134) имеет входное сопротивление 10 ТОм – и это не опечатка. Даже TL071 / 2 имеет входное сопротивление 1 ТОм, а типичные биполярные операционные усилители обеспечивают разомкнутый контур только около 300 МОм или около того. Это увеличивается при применении обратной связи.
Хотя обычно предполагается, что звукосниматель должен реагировать на самую низкую основную частоту (82 Гц для гитары, 41 Гц для «традиционного» [четырехструнного] баса), характеристика наиболее щипковых или ударных струн заключается в том, что обычно доминирует вторая гармоника (в зависимости от позиция удара / ощипывания и / или стиль).Если усилена основная частота, многие музыканты обнаружат, что в звуке чрезмерно низкие басы, поэтому не всегда разумно гарантировать, что у вас будет ровный отклик вплоть до основной частоты. Приведенные ниже схемы и описания предполагают плоскую характеристику основной частоты, но это можно изменить, изменив значение входного резистора. Это будет работать для второй и третьей схем, но для Рисунка 1 это немного сложнее, потому что его входное сопротивление намного выше, чем «нормальное».
К сожалению, у многих пьезоэлектрических звукоснимателей практически нет данных о самом пьезоэлементе.Попытка определить емкость некоторых из них практически невозможна, если только вы не найдете сообщение на форуме, где кто-то ее измерил. Другой вариант – измерить его самостоятельно, но если к нему подключен кабель, вы также измеряете емкость кабеля, и разделить их может быть невозможно. Было бы полезно, если бы эта информация была доступна, но некоторые производители, похоже, хотят сохранить в секрете как можно больше. Это бесполезно для людей, которые хотят заниматься своими руками.
Цепи проекта
Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой чувствительный к вибрации источник напряжения, включенный последовательно с небольшим конденсатором.Емкость варьируется, в основном, в зависимости от физического размера пьезоэлемента. Большие пьезопреобразователи имеют более высокую емкость и наоборот. Вы можете быть уверены в одном: эффективная емкость может составлять не более 12 нФ (12 000 пФ), а многие из них намного меньше. Некоторые пьезоакселерометры могут иметь емкость всего 200 пФ, а это означает, что входное сопротивление предусилителя должно быть не менее 20 МОм, чтобы получить частоту -3 дБ в 40 Гц. Если вы стремитесь к более высокому импедансу, схема будет более гибкой и может работать с широким спектром различных звукоснимателей.Пьезо, взятый из звукового эхолота (Sonalert или аналогичного звукового устройства), обычно будет иметь большую емкость, чем специальные звукосниматели, но нет гарантии точности.
Ниже описаны три варианта. Первые два более или менее обычные, но третья схема несколько «другая». Усилители заряда не редкость в научных и промышленных приложениях, но редко встречаются для звукоснимателей. Это настоящий позор, потому что эта топология имеет некоторые уникальные преимущества по сравнению с более традиционными подходами.Они описаны в третьем разделе этой статьи. Вы можете выбрать схему, которая лучше всего подходит для вашего приложения, но убедитесь, что вы понимаете ограничения каждого типа.
На каждой из схем есть регулятор громкости, но если он вам не нужен, его можно не использовать. Просто замените горшок на резистор (подойдет любое значение от 10 кОм до 100 кОм). Я использовал потенциометр на 10 кОм, чтобы убедиться, что не возникнет проблем с подключением большинства кабелей к блоку DI, усилителю или «беспроводной» поясной сумке. Резистор 100 Ом в каждой выходной цепи гарантирует, что стабильность операционного усилителя не будет нарушена емкостью выводов.Емкость кабеля может вызвать колебания операционных усилителей.
Звукосниматели малой емкости
Принципиальная схема для первого варианта показана ниже. Вход с высоким импедансом создается с помощью схемы начальной загрузки, которая устраняет необходимость в очень высоких сопротивлениях. Хотя может показаться, что использование дискретного полевого транзистора JFET предоставит больше возможностей (включая более низкое напряжение питания), диапазон подходящих устройств все время сокращается. Когда вездесущие устройства теперь устаревают, поиск заменяющих JFET-транзисторов становится реальной проблемой.Хотя некоторые из них должны оставаться доступными в течение некоторого времени, они не предназначены (и менее чем идеальны) для усиления, а разброс параметров полевых транзисторов означает, что цепь смещения обычно требует регулировки. Это неудобно и затрудняет построение и настройку схемы. Малосигнальные полевые МОП-транзисторы (такие как 2N7000) слишком шумны, и их следует избегать.
Рисунок 1 – Пьезо-предусилитель с начальной загрузкой
Использование схемы начальной загрузки имеет (потенциально серьезный) недостаток, заключающийся в том, что на некоторой (обычно очень низкой) частоте может произойти непреднамеренное повышение.Это уменьшается за счет того, что конденсатор начальной загрузки становится намного больше, чем необходимо, что позволяет поддерживать частоту повышения не более 1-2 Гц. Вторая линия защиты – это C1, который гарантирует, что емкость, «видимая» схемой, никогда не может превышать 4,7 нФ. Третья защита создается C3 и R5-R6, которые выбраны для частоты 31 Гц -3 дБ. Если вам нужен хороший отклик до 30 Гц, просто увеличьте значение C3. 330nF снижает частоту -3 дБ до 21 Гц, а потери менее 2 дБ при 30 Гц.Чем больше крышка, тем меньше это.
В показанной схеме коэффициент усиления равен только двум, установленным R7 и R8. Если требуется большее усиление, просто уменьшите значение R8 и / или увеличьте значение R7. Если R7 остается на уровне 10 кОм, а R8 уменьшается до 1 кОм, усиление составляет одиннадцать (20,8 дБ). Коэффициент усиления входного каскада не может быть увеличен, потому что схема начальной загрузки полагается на единичное усиление. – возможно , но это вызывает дополнительные сложности, которые означают, что производительность ухудшается.
В сети есть несколько примеров пьезоэлектрических предусилителей, и некоторые из них используют самонастройку.Очень немногие из них считают вероятность создания фильтра высокой добротности с большим пиком низких частот с некоторыми звукоснимателями. Это очень реальная проблема, и если ее не решить, как описано здесь, вы можете легко получить пик более 15 дБ на некоторой (низкой) частоте. Чаще всего это будет ниже 10 Гц (около 2-5 Гц, вероятно, при типичной емкости датчика), и этого не видно, потому что большинство людей не проводят тесты до очень низких частот. Если резонансный пик вызван перемещением инструмента или простым давлением на части тела, пик может повредить акустические системы, если к нему не обратиться.
Схема начальной загрузки состоит из R1, R2, R3 и C1. Сигнал с выхода возвращается на соединение R1, R2, R3 и C2, причем последний последовательно с R4. Это гарантирует, что напряжение на R3 составляет всего около 7 мВ, поэтому ток сигнала через него сводится к минимуму. Через R3 будет около 7 нА с входом 1 В, поэтому кажущееся сопротивление R3 составляет 140 МОм (1 В / 7 нА). Этот простой «трюк» позволяет нам использовать гораздо более низкое значение R3, что снижает шум.Однако он также создает схему фильтра (аналогично фильтру верхних частот с множественной обратной связью), но условия эксплуатации не контролируются. C2 и R4 обеспечивают достаточный контроль, чтобы предотвратить чрезмерное усиление на очень низких частотах, которое может привести к затухающим колебаниям.
При указанных значениях входное сопротивление составляет около 140 МОм, а отклик ровный до менее 10 Гц. Некоторые звукосниматели могут создавать небольшой пик отклика (в зависимости от емкости), но он всегда будет ниже 2 дБ (и менее 2 Гц) для любой емкости от 150 пФ до 12 нФ.Наихудший случай – с высокой емкостью (10 нФ или более), но фильтр C2 / R5-R6 устраняет ее (почти) полностью. Пик составляет чуть более 1 Гц и ослабляется более чем на 20 дБ фильтром C3 / R5-R6. Комбинация различных методов используется для обеспечения безоговорочной стабильности схемы при любой вероятной емкости источника.
Светодиод должен быть высокой яркости (чем выше, тем лучше), и можно уменьшить ток, увеличив значение R10. По мере того, как светодиод потребляет больше тока, срок службы батареи сокращается.При ~ 1,6 мА или около того с резистором 10 кОм аккумулятор будет разряжаться быстрее, чем без светодиода, но риск оставить включенным предусилитель сведен к минимуму. Они должны уравновеситься, так как вы будете знать, что питание все еще включено, по ярко светящемуся светодиоду. Если вам не нужен портативный предусилитель, его можно запитать от ± 5-15 В от подходящего источника питания.
Пьезо-звукосниматели всегда хитры. Им не нравятся длинные провода, так как это создает емкостной делитель напряжения, снижающий уровень.Вопреки тому, что вы можете себе представить, обычно , а не влияет на частотную характеристику. Например, если у вашего датчика емкость 10 нФ и у провода такая же, выходная мощность уменьшается на 6 дБ, но отклик остается ровным при подаче на схему с очень высоким входным импедансом.
Одной из основных проблем может быть трибоэлектрический эффект [1] – электрический сигнал, возникающий в самом кабеле из-за движения. Любой, кто слышал шум от гитарного соло (без гитары), заметит шум при перемещении кабеля.Использование свинца хорошего качества (в идеале как можно короче) снизит трибоэлектрический шум. Возможно, вам придется попробовать несколько разных отведений, чтобы найти тот, который издает меньше всего шума.
Пьезо-звукосниматели большой емкости
Некоторые пьезодатчики и контактные микрофоны имеют значительную емкость (12 нФ или более), и они могут работать с более низким входным импедансом. Поскольку датчик имеет высокую емкость, он эффективно сокращает высокочастотный шум, и операционный усилитель с биполярным входом может быть лучшим выбором [2] .Это не то, что я пробовал, но я знаю, что метод работает, поскольку я использовал его, но с входными операционными усилителями JFET. Это очень часто встречается с конденсаторными микрофонами, где (значительный) шум от резистора 1 ГОм эффективно закорочен емкостью микрофона. Эти микрофоны известны своим низким уровнем шума, несмотря на очень высокое сопротивление.
Для пьезоэлектрических преобразователей с высокой емкостью нет заметной разницы между конденсаторным / конденсаторным микрофоном и пьезоэлементом, поскольку пьезоэлемент также имеет емкость, которая замыкает большую часть входного шума резистора и операционного усилителя.Следующая схема подходит для пьезоэлементов большего размера, которые имеют большую емкость из-за своего физического размера. При емкости 10 нФ и входном резисторе 1 МОм шум резистора и операционного усилителя снижается на частотах выше 16 Гц. Имейте в виду, что входной ток для операционного усилителя проходит через R3, что приводит к падению напряжения. Например, если операционный усилитель потребляет входной ток 1 мкА, на R3 появляется напряжение 1 В постоянного тока.
В предлагаемом NJM2068 используются входные транзисторы PNP, поэтому напряжение постоянного тока на выходе (вывод 1) будет на выше , чем напряжение на C1 (номинально 4.5 В постоянного тока с питанием 9 В). Если у вас проблемы с входами высокого уровня, это может вызвать преждевременное ограничение положительных пиков. В этом случае уменьшите R2 до 8,2 кОм, что снизит опорное напряжение и приблизит уровень постоянного тока от U1A к 4,5 В. Если вы используете операционный усилитель с входными транзисторами NPN, вместо этого вы уменьшите значение R1, так как выход постоянного тока будет на ниже , чем ожидалось. Вы также можете использовать входной операционный усилитель JFET – это то, что я использовал для своего второго тестового предусилителя (описанного ниже).
Рисунок 2 – Пьезоэлектрический предусилитель высокой емкости
Я использовал ту же базовую схему (с использованием двойного операционного усилителя), и в этой версии не используется самозагрузка. Входное сопротивление 1 МОм – значение R3. Предлагаемый операционный усилитель – NJM2068, который имеет тот же уровень шума, что и NE5534. Его можно использовать как пару одиночных каскадов, при этом обе половины операционного усилителя используются как предусилители. Это будет полезно для стерео звукоснимателей. Если вы используете предусилитель в стерео, есть только один каскад усиления, а выходная цепь (R10, C5 и R11) дублируется для обеих половин операционного усилителя.Как показано, каждый каскад имеет усиление два (6 дБ), что дает общее усиление четыре (12 дБ). Если требуется большее усиление, необходимо увеличить усиление входного операционного усилителя, так как это минимизирует шум. Если вы используете усиление более одиннадцати для первой ступени (R5 будет 1k), общее усиление будет чуть меньше 27 дБ. Более высокое усиление не рекомендуется, так как входное сопротивление операционного усилителя будет уменьшено.
Источник напряжения 4,5 В представляет собой просто напряжение ½, полученное от R1 и R2 и шунтируемое через C1. Делитель напряжения может использоваться для обоих входов операционного усилителя, поскольку потребляемый ток минимален, поэтому взаимодействие отсутствует.
Усилитель заряда
Окончательная конфигурация – усилитель заряда [3] . Это особый случай, и обычно для них используется резистор очень большого номинала, и они будут правильно работать только с операционным усилителем на входе на полевых транзисторах. Чаще всего они используются в высококачественных (и, следовательно, дорогих) акселерометрах, но нет причин не использовать их с обычным входным разъемом и внешним пьезоэлектрическим преобразователем. Коэффициент усиления определяется емкостью пьезоэлектрического преобразователя и емкостью усилителя заряда (Cf).Cf подключен параллельно резистору смещения (Rf), который должен существовать, иначе в цепи нет обратной связи по постоянному току и она не будет работать. Комбинация Rf и Cf определяет точку низкой частоты -3 дБ по стандартной формуле …
f = 1 / (2 × π × Cf × Rf)
Схема может выглядеть как интегратор, и это действительно так. Однако входной сигнал обеспечивается через емкость пьезо (которая действует как дифференциатор), и они уравновешиваются. Если Cf сделать больше, усиление падает, и наоборот.Cf всегда параллельно с Rf, а точка низкой частоты -3 дБ составляет 16 Гц. Если Cf составляет 5 нФ, усиление равно двум, а частота -3 дБ повышается до 32 Гц. Очевидно, что если вы хотите с высоким коэффициентом усиления и с хорошей низкочастотной характеристикой, Rf становится слишком высоким значением.
Когда вы видите описания усилителей заряда, характеристики часто описываются с использованием заряда (Q), развиваемого пьезо, обычно в кулонах (ампер / секунду). В некоторых случаях можно увидеть утверждение, что коэффициент усиления усилителя заряда зависит только от конденсатора обратной связи (Cf) и не зависит от емкости источника или соединительного кабеля.Это неправда! Коэффициент усиления задается соотношением пьезоемкости и емкости обратной связи . Поскольку входное сопротивление зарядного усилителя близко к нулю, емкость кабеля не влияет на усиление или частотную характеристику. Должно быть очевидно, что конденсатор при коротком замыкании не может иметь никакого эффекта. Обычно не упоминается тот факт, что емкость кабеля увеличивает шум операционного усилителя и, если она достаточно высока, вызывает преждевременный спад высоких частот.
Рисунок 3 – Пьезоусилитель большой емкости
Для домашнего строительства я бы не рекомендовал этот метод для пьезоэлектрических преобразователей с малой емкостью и , потому что резистор (Rf) должен иметь очень высокое значение.Для большинства звукоснимателей, если вы не можете найти значение емкости в технических характеристиках, вы можете измерить его (если у вас есть измеритель емкости) или просто начать с 10 нФ. Изменения могут быть внесены по мере необходимости при запуске тестов. Если вам нужно усиление, теоретически вы просто делаете Cf меньше, чем емкость вашего преобразователя. Однако низкочастотная отсечка определяется параметрами Cf и Rf, поэтому, поскольку значение Cf уменьшается, Rf необходимо увеличивать на ту же величину. Обычно это непрактично, если у вас нет доступных очень высоких значений резистора, но в отличие от схем с очень высоким входным импедансом, схема довольно устойчива к незначительным токам утечки.Схема, показанная выше, предполагает единичное усиление и пьезоэлемент с емкостью 10 нФ. Все, что меньше, требует, чтобы Rf было более 1 МОм, но, конечно, это зависит от необходимого вам предела низкой частоты. Второй каскад используется для получения необходимого усиления.
Обратите внимание, что входной разъем не имеет закорачивающего переключателя, так как это повысит коэффициент усиления U1A, что может привести к чрезмерному шуму. Входной конденсатор (Cin) следует выбирать в зависимости от емкости датчика, и в идеале он должен быть примерно в десять раз больше емкости.Итак, для пьезоэлектрического преобразователя 1 нФ Cin должно быть 10 нФ. Схема является инвертирующей и имеет очень низкий входной импеданс , поэтому защитные диоды не являются строго необходимыми, хотя они рекомендуются в агрессивных средах. Входное напряжение на U1A (вывод 2) близко к нулю, и трибоэлектрические эффекты практически полностью устранены. Шум от Rf ослабляется на 6 дБ / октаву выше частоты -3 дБ, но шум входного напряжения операционного усилителя усиливается на два (6 дБ). Это ожидается для любого каскада инвертирующего операционного усилителя .
Для тестов, которые я проводил в этой конфигурации, я использовал TL072, и даже когда за ним последовал предусилитель × 100 (40 дБ), он был почти почти бесшумным (хотя пьезоэлектрический датчик, который я использовал для тестирования, имеет более высокую емкость, чем большинство). Основываясь на ограниченном количестве тестов, которые я мог провести (у меня нет специальных пьезодатчиков, которые я мог бы использовать), схема должна работать с датчиками до 500 пФ (Rf должно быть 10 МОм, а Cf обычно около 470 пФ). Это устанавливает частоту -3 дБ на 34 Гц. См. Раздел «Испытательные схемы» ниже для получения дополнительной информации.
Для инструментальных средств вам может потребоваться отклик до нескольких Гц или меньше, но если он используется для музыкальных инструментов, это расслаблено. Если пьезоэлементы и конденсатор обратной связи (Cf) равны 10 нФ (Cin должно быть 100 нФ), а Rf равно 1 МОм, частота -3 дБ составляет 16 Гц, поэтому хороший отклик возможен с пьезоэлементами, возможно, вплоть до 1 нФ (требуется, чтобы Rf составляло ~ 4 МОм для отклика до 40 Гц. Этого нетрудно добиться с помощью стандартных деталей, и «особые» методы построения не требуются. Емкость кабеля не влияет на отклик или усиление, но если она слишком велика, цепь будет зашумленной.
Это не метод, который вы, вероятно, встретите для аудиосхем, хотя в некоторых местах он появляется. В основном это ограничивается тестами и измерениями или промышленными / научными приложениями. Это должно быть достаточной причиной, чтобы рассмотреть возможность его использования, потому что аудиосхемы обычно гораздо менее требовательны, чем схемы для измерительных / промышленных / научных систем. В частности, отсутствие шума в кабеле само по себе является достаточной причиной для рассмотрения этого подхода. Поскольку входной сигнал имеет низкое сопротивление, уровень шума (50/60 Гц) значительно уменьшается – до такой степени, что он почти полностью устраняется!
Регуляторы тона
На рисунке ниже показан усилитель заряда с основными регуляторами тембра.Такое же расположение можно использовать для схем на рисунках 2 и 3, но версия на рисунке 1 не имеет «выделенного» раздельного питания 4,5 В. Его можно добавить, используя два резистора 10 кОм и байпасный колпачок (R1, R2, R3), и неинвертирующий U1B может быть отнесен к нему таким же образом (а не к двум отдельным показанным резисторам). Регуляторы тембра – это просто базовая схема Баксандалла, обеспечивающая низкие и высокие частоты. Поскольку вторая половина операционного усилителя используется для регуляторов тембра, каскада усиления больше нет.
Рисунок 4 – Пьезоусилитель заряда с регуляторами тембра
В регуляторах тембра нет ничего особенного, но импеданс ниже обычного, чтобы минимизировать шум. Максимальное усиление и ослабление ограничено ~ 10 дБ, так как любое превышение этого значения скорее вызовет обратную связь, чем сделает что-либо полезное. Значения вокруг регуляторов тембра можно изменить, чтобы изменить отклик в соответствии с вашими потребностями.
Как показано, регулятор высоких частот работает с гораздо более низкой частотой, чем обычно.Я думаю, вам это либо понравится, либо вы возненавидите, но это очень легко изменить. Чтобы поднять частоту, просто замените C4 на более низкое значение. Например, если вы просто хотите добавить (или удалить) самый верхний предел частотного диапазона, вы можете использовать всего 2,2 нФ. При 15 нФ усиление высоких частот составляет + 3 дБ на частоте 700 Гц, повышаясь до 5 кГц при максимальном усилении 2,2 нФ. При 6,8 нФ, как показано, + 3 дБ составляет ~ 1,6 кГц.
Испытательные схемы
Для этих схем необходимы испытания. Хотя все схемы моделируются идеально, это не обязательно означает, что они будут вести себя прилично в реальной жизни, и особенно сложно оценить шум схемы.Две испытанные схемы имеют номинальное усиление с единичным усилением, а пьезоэлектрический преобразователь был освобожден от электронного звукового устройства типа «Sonalert». Я измерил емкость на уровне 32 нФ, что несколько выше, чем я ожидал. Левая схема представляет собой усилитель заряда, а схема справа – версия с единичным усилением, показанная на Рисунке 2. Я использовал операционный усилитель TL072, с одной секцией для усилителя заряда, а другой – для предусилителя High-Z. Операционный усилитель питался от одного источника питания 12 В.
В усилителе заряда используется схема, показанная вокруг U1A на Рисунке 3.Выход осуществляется через электрический 33 мкФ и резистор 100 Ом (вверху слева). Предусилитель с высоким импедансом такой же, как показан на рисунке 2, только со схемой вокруг U1A, но без защитных диодов. В нем используются те же выходные конденсатор и резистор, что и в усилителе заряда (вверху справа). Две схемы используют одну и ту же сеть смещения. Без подключенного пьезоэлемента шум от обоих довольно низкий, но усилитель с высоким Z очень легко улавливает гул. Испытательные усилители не экранированы и были протестированы в виде, показанном на фотографии.
Рисунок 5 – Пьезодисковые и тестовые предусилители
На левой стороне платы находится усилитель заряда (рис 3). Я использовал ограничение обратной связи 39 нФ, так как в то время у меня не было под рукой ограничения 33 нФ (39 нФ вызывает небольшое снижение усиления). Резистор обратной связи составляет 1 МОм, и тот же резистор используется в качестве входного резистора для версии с высоким входным сопротивлением. Шум схемы был очень низким для обоих, но (очень полезно!) Усилитель заряда практически не гудел. Это настоящий бонус, так как с помощью версии с высоким сопротивлением подавить шум было практически невозможно.Шипение было очень низким для обеих схем (я использовал откалиброванный малошумящий предусилитель между показанными схемами и моим настольным усилителем мощности).
Пьезоэлемент имеет латунную опорную пластину, соединенную с землей (землей), но даже с очень короткими выводами, показанными на фотографии, версия «High-Z» издавала гудение 50 Гц независимо от того, насколько далеко он находился от любого источника гула. Уже на этом основании усилитель заряда – явный победитель. Это было ожидаемо, но в этом нельзя быть уверенным, пока не будет проведен тест.
Учитывая гораздо более высокую, чем ожидалось, емкость пьезоэлектрического пьезоэлектрического преобразователя, даже с сопротивлением всего 1 МОм в качестве резистора обратной связи, схема усилителя заряда имеет хороший отклик до 5 Гц, что намного меньше, чем необходимо для музыкальных инструментов, но полезно для тестовых и измерительных приложений. Даже с коэффициентом усиления семь (Cf = 4,7 нФ) схема будет иметь хороший отклик до 33 Гц (-3 дБ), сохраняя при этом Rf на уровне 1 МОм. Я устоял перед соблазном использовать резисторы 10 МОм (или 1 ГОм), и они не нужны с пьезоэлементом, имеющим такую большую емкость.Чтобы дать вам представление о том, насколько низко может быть отклик, с резистором обратной связи 1 ГОм и интегрирующим конденсатором 33 нФ частота -3 дБ составляет менее 5 МГц (0,005 Гц, что соответствует периодическому времени в 200 секунд!).
Мой тест включал простое протирание пьезо только уголком лицевой ткани (не скрученным!), В то время как пьезо подвешивалось за провода. Даже с моим настольным усилителем, установленным почти на максимум (с предусилителем x100 между пьезо предусилителем и усилителем мощности), шум (шипение) был только слышен.Нажатие на пьезо – даже очень легкое – было громким . Если пьезо положили на мой рабочий стол, это привело к обратной связи. Я измерил выход пьезоэлемента очень легкими прикосновениями на пике около 2 мВ. Даже самое мягкое постукивание давало гораздо более высокий выходной уровень, и пиковое значение более 1 В легко достигалось.
Керамические звукосниматели
Я лично убедился в том, что керамический (он же «хрустальный») картридж может сделать с винилом (в конце 1960-х годов), я бы не рекомендовал его .Однако для дисков со скоростью вращения 78 об / мин они, вероятно, идеальны, так как материал очень твердый и не будет поврежден. Также нет требований к высокой точности воспроизведения, потому что вы не получите ее в 99% случаев из 78. Эти картриджи обладают высокой прижимной силой – там, где магнитным картриджам требуется пара граммов, керамическим картриджам требуется около 10 граммов (обычно). Еще в 1971 году схема была описана в журнале Wireless World [5] . По сути, окончательные предложенные идеи были основаны на усилителях заряда, хотя в то время этот термин не использовался.
Раньше, когда пьезоэлектрические звукосниматели были обычным явлением (то есть с конца 1950-х до конца 1970-х годов), было принято считать, что для них требовался предусилитель с высоким сопротивлением. В подавляющем большинстве опубликованных разработок использовались входы с высоким импедансом, обычно с входным сопротивлением от 2 МОм до 5 МОм. Некоторые из них обеспечивали эквалайзер за счет включения регуляторов тембра, но они чаще всего применялись для системы в целом (поэтому влияли на все входы), поэтому при использовании фонокорректора приходилось дорабатывать.Все скорее менее чем удовлетворительно. Однако не существует требования о том, что для любого пьезоэлектрического преобразователя требуется предусилитель с высоким импедансом – усилитель заряда довольно убедительно опровергает этот миф, как описано в предыдущем разделе.
Между тем, многие люди использовали их в обычных (входное сопротивление 47 кОм) фонокорректорах с подвижным магнитом (с эквализацией RIAA) и обнаружили, что звук был по крайней мере терпимым. Я так давно не играл с керамическими картриджами, что не могу определить «терпимо», но это не hi-fi.Времена изменились, и в наши дни керамические звукосниматели встречаются реже – вы все еще можете их получить, но я не совсем уверен, почему.
Благодаря читателю я просмотрел статью Wireless World, которая, по его словам, была (по-видимому) «золотым стандартом» для керамических предусилителей, и сомнительно, что кто-то добился большего с тех пор, как были опубликованы подробности. Он также связан с упрощенной версией [6] . Я бы не согласился с некоторыми вариантами, сделанными в упрощенной версии по ряду причин, но в этой общей форме она может подойти тем, кто хочет использовать керамический звукосниматель (но только на 78-е, пожалуйста!).Исходная схема использует некоторые очень странные (и некоторые избыточные) схемы, но концепция – это простая схема . В схеме используется малосигнальный полевой МОП-транзистор 2N7000, и хотя он шумный, по сравнению с большинством шеллаковых дисков, он, вероятно, будет в порядке. Моя упрощенная (и смоделированная) схема показана ниже. Он функционирует как основной усилитель заряда, но не так хорошо, как «настоящий» (использующий операционный усилитель) из-за ограниченного усиления.
Рисунок 6 – Пьезофонический предусилитель на базе 2N7000 MOSFET
Для получения 20 МОм последовательно подключены два резистора 10 МОм, хотя он будет работать достаточно успешно и с одним – это влияет на низкочастотный отклик (-3 дБ при 28 Гц при 10 МОм), но этого должно хватить для большинства дисков со скоростью вращения 78 об / мин.Схема имеет входной импеданс около 1,4 кОм при 1 кГн, возрастающий на более низких частотах и падающий на более высоких частотах. Этого следовало ожидать и не должно вызывать никаких проблем. Обратите внимание, что у меня , а не , тестировал эту схему, кроме как в симуляторе. У меня нет дисков со скоростью вращения 78 об / мин, и у меня нет керамического картриджа, и я бы никогда не использовал керамический картридж с каким-либо своим винилом.
Схема включена, потому что некоторым она может показаться полезной. Коэффициент усиления зависит от соотношения емкости картриджа и емкости C1.Звукосниматели с высокой емкостью обеспечат большее усиление, а с датчиками с низкой емкостью – меньше. Предполагая, что емкость картриджа составляет 1000 пФ (1 нФ), коэффициент усиления схемы, как показано, составляет примерно 3 дБ (1,42). Усиление можно изменить, изменив значение C1 (560 пФ, как показано), при этом меньшее значение обеспечивает большее усиление, но с увеличенной частотой низких частот -3 дБ. Обратное также применимо. Выходное сопротивление составляет около 100 Ом, но минимальное рекомендуемое сопротивление нагрузки составляет 10 кОм. Симулятор говорит, что искажения около 0.03% при нагрузке 10k, и это намного ниже искажений, которые я ожидал бы от шеллакового диска. Имейте в виду, что некоторые керамические картриджи имеют очень высокий выходной уровень – я проверил несколько спецификаций, и некоторые из них могут (предположительно) выдавать до 3,6 В RMS. Большинство из них выдает от 500 мВ до 1 В (среднеквадратичное значение).
Выводы
Цепи с высоким импедансом создают «особые» проблемы. Если вы используете очень высокое сопротивление, оно подвержено поверхностным утечкам. Это может быть связано с загрязнением резистора, утечкой через печатную плату или макетную плату и / или высокой влажностью.Методика начальной загрузки устраняет большинство из этих эффектов, но, если она не выполняется должным образом, вызывает собственные проблемы. Описанная схема была разработана таким образом, чтобы свести к минимуму любые побочные эффекты (особенно нежелательное повышение очень низкой частоты). Это немного сложнее, чем другие, с которыми вы можете столкнуться, но это техника, которую я успешно использовал в ряде случаев.
Высокие импедансы также восприимчивы к полям гула, и вам потребуется чрезвычайно хорошее экранирование, чтобы уменьшить гул до приемлемого уровня.Это намного сложнее, чем может показаться, и становится хуже по мере увеличения импеданса. Емкость кабеля ослабляет сигнал от пьезо, и это становится более проблематичным при низких уровнях выходного сигнала. Однако (и вопреки тому, что вы могли ожидать), емкость кабеля , а не влияет на высокочастотную характеристику, а только на уровень сигнала. Емкостной делитель напряжения так же действителен, как и более распространенный резистивный делитель.
Усилители заряда – редкость для пьезоакустических звукоснимателей.Я подозреваю, что это связано с тем, что они несколько «нетрадиционны», хотя они широко используются в измерительных системах. Их величайшие преимущества – это (почти) полное отсутствие емкости кабеля, вызывающей колебания усиления, и резкое снижение шума кабеля (трибоэлектрические эффекты). У них также очень низкий входной импеданс, что дает другие преимущества.
Как и большинство проектов ESP, эти схемы предназначены для вдохновения и экспериментов. Особенно это касается усилителя заряда, который в аудиосхемах серьезно недопредставлен.Это прискорбно, потому что у него есть много очень желательных атрибутов, все в первую очередь из-за очень низкого входного импеданса . Это прямо противоположно другим дизайнам.
Я намеренно не включил какие-либо схемы эквалайзера (EQ) для предусилителей, так как это зависит от слишком многих неизвестных факторов. Пьезо-звукосниматели могут находиться под мостом или использоваться в качестве контактных микрофонов (прикрепленных или привинченных к корпусу инструмента). Звук от каждого метода обычно очень разный, и эквалайзер должен быть настроен соответствующим образом.Звукосниматели под мостом могут демонстрировать значительный подъем высоких частот, и нежелательная микрофона может быть проблемой [4] . Часто лучше всего хранить эквалайзер отдельно от самого пьезоусилителя, так как с ним обычно легче работать с проигрывателем. Выходное сопротивление всех цепей составляет 100 Ом – достаточно мало, чтобы без проблем можно было использовать кабель любой разумной длины.
Надеюсь, читатели сочтут эти схемы полезными, и они способны работать хорошо, без вредных привычек. Начальная загрузка неизбежно требует компромиссов, но она необходима только в том случае, если емкость пьезопреобразователя очень мала и (по какой-либо причине) усилитель заряда не подходит.Меры предосторожности, включенные в схему на Рисунке 1, гарантируют, что она останется в хорошем состоянии, в значительной степени независимо от емкости. Однако любая схема начальной загрузки полагается на некоторую степень положительной обратной связи, которая может сделать схему более шумной, чем ожидалось.
Из рассмотренных опций мне больше всего понравился усилитель заряда. Это необычный дизайн для аудио, и это настоящий позор, потому что у него так много преимуществ. Если мне когда-нибудь понадобится пьезоусилитель для другого проекта, он будет использовать усилитель заряда! Преимущества перевешивают любые незначительные недостатки.Да, там у немного больше теплового шума (шипения) , но гула почти нет. Последнее почти неизбежно, если вы используете высокий входной импеданс.
Список литературы
- Трибоэлектрический эффект (Википедия)
- Пьезоконтактный микрофонный предусилитель
- Усилитель заряда (Википедия)
- 6. Пьезо-звукосниматели (Gitec)
- Керамический датчик звукоснимателя …
1 – Мифы против математики и измерений
2 – Практические схемы с низким сопротивлением (B.Дж. К. Берроуз, бакалавр наук) Wireless World, июль-август 1971 г. Схема предусилителя - с керамическим картриджем – предусилитель Пита на полевых МОП-транзисторах
Хотя в сети есть много других пьезоэлектрических предусилителей, многие используют полевые транзисторы, которые сейчас трудно достать, а некоторые другие хорошо продуманы. Плохих примеров больше, чем хороших, так что будьте осторожны.
Индекс проектов
Основной индекс
| Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2020.Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта. |
Журнал изменений: страница создана, авторские права © Март 2020./ Обновлено апрель 2020 г. – добавлены детали керамического звукоснимателя. / Октябрь 2020 г. – исправлена опечатка. / Январь 2021 г. – изменен рисунок 4 для устранения недоразумений.
Усилитель заряда – обзор
Базовая схема и работа цепи измерения давления
Пьезоэлектрические датчики давления сгорания всегда используются с соответствующей обработкой сигнала в приложениях измерения сгорания. Для формирования сигнала заряда требуется усилитель заряда, который состоит из инвертирующего усилителя напряжения с высоким коэффициентом усиления с полевым транзистором на основе металлооксидного полупроводника (MOSFET) или полевым транзистором с затворным переходом (JFET) на его входе в добиться высокого сопротивления изоляции.
Назначение усилителя заряда – преобразовать входной высокоимпедансный заряд в пригодное для использования выходное напряжение. Принципиальная принципиальная схема показана на рисунке 15.10.
РИСУНОК 15.10. Базовая схема усилителя заряда.
(AVL List.)Усилитель заряда состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления и конденсатора отрицательной обратной связи (C G ). Когда заряд подается от пьезоэлектрического преобразователя давления (ПД), на входе усилителя (А) наблюдается небольшое повышение напряжения.Это увеличение появляется на выходе значительно усиленным и инвертированным. Конденсатор отрицательной обратной связи с отрицательным смещением (C F ) соответственно отводит заряд от входа и удерживает небольшое повышение напряжения на входе усилителя.
На выходе усилителя (A) напряжение ( В, O ) устанавливается таким образом, что он получает достаточно заряда через конденсатор, чтобы оставшееся входное напряжение составляло точно В O , когда усиленный А.Поскольку коэффициент усиления A очень велик (примерно до 100 000), входное напряжение остается практически нулевым. Выходной заряд преобразователя давления не используется для увеличения напряжения на входных емкостях, он снимается конденсатором обратной связи.
При достаточно высоком усилении без обратной связи емкостью кабеля и датчика можно пренебречь; поэтому изменения входной емкости из-за разных кабелей с разной емкостью кабеля (CC) практически не влияют на результат измерения.Это оставляет выходное напряжение зависимым только от входного заряда и емкости диапазона. То есть:
VO = Q / CF
Выходной сигнал выдается только при изменении состояния, поэтому пьезоэлектрический преобразователь и усилитель заряда не могут выполнять истинные статические измерения. Это не проблема при обычных измерениях горения, поскольку они требуют высокодинамичной измерительной цепи, чтобы адекватно охватить все аспекты явления. Особые соображения требуются при калибровке измерительной цепи и при анализе данных.
Хотя современная измерительная цепь усилителя заряда (рисунок 15.11) является надежным и хорошо зарекомендовавшим себя методом измерения, а методика почти повсеместно используется для измерения давления сгорания, необходимо учитывать важные вопросы и характеристики измерения:
РИСУНОК 15.11. Типичный рабочий процесс на основе анализа горения.
- •
Дрейф. Это определяется как нежелательное изменение выходного сигнала с течением времени, которое не является функцией измеряемой переменной.В пьезоэлектрической измерительной системе всегда присутствует циклический температурный дрейф, который является функцией фактической конструкции преобразователя (см. Раздел «Датчики давления в цилиндре» далее в этой главе). Электрический дрейф в усилителе заряда может быть вызван низким сопротивлением изоляции на входе.
- •
Постоянная времени. Постоянная времени усилителя заряда определяется произведением конденсатора диапазона и резистора постоянной времени. Это важный фактор для оценки способности пьезоэлектрической измерительной системы к измерению очень медленных явлений двигателя (частота вращения коленчатого вала) без каких-либо существенных ошибок из-за разряда конденсатора.Многие усилители заряда имеют настраиваемые постоянные времени, которые изменяются путем изменения резистора постоянной времени.
Дрейф и постоянная времени одновременно влияют на выход усилителя заряда. Один или другой будет доминирующим. В современной технологии усилителей имеется ряд методов противодействия электрическому дрейфу, и современная технология усилителей заряда содержит схему электронной компенсации дрейфа.
Если возможно поддерживать чрезвычайно высокие значения изоляции на датчике давления, входе усилителя, кабелях и связанных с ними соединениях, токи утечки могут быть минимизированы и могут быть выполнены высококачественные измерения.Однако для этого оборудование должно быть чистым и очищенным от грязи и жира в соответствии с лабораторными стандартами. На практике обычная среда испытательной камеры двигателя не обеспечивает такого уровня чистоты, и этот метод предотвращения дрейфа не является практическим предложением. Работа усилителя в режиме кратковременной постоянной означает, что дрейф из-за входного напряжения смещения может быть ограничен до определенного значения и, таким образом, может быть предотвращен дрейф в насыщение.
- •
Фильтрация. В усилителе заряда обычно предусмотрена электрическая фильтрация для исключения определенных частот из необработанных измеренных данных. Обычно фильтры верхних частот используются для удаления нежелательных низкочастотных компонентов; для измерения горения это может быть необходимо в ситуации измерения детонации, когда интерес представляют только высокочастотные составляющие.
Фильтр верхних частот позволяет оптимизировать входной диапазон измерительной системы для обеспечения наилучшего аналого-цифрового преобразования сигнала.Фильтры нижних частот могут быть реализованы для удаления из измерительного сигнала нежелательного высокочастотного интерференционного сигнала, такого как сигналы корпусного шума от двигателей, которые передаются на преобразователь.
При использовании электрических фильтров важно помнить, что определенный фазовый сдвиг всегда будет происходить и что это может вызвать ошибки, которые необходимо учитывать. Например, любой фазовый сдвиг отрицательно влияет на точность определения IMEP, когда используется фильтр нижних частот.Чем выше частота вращения двигателя, тем выше минимально допустимая частота фильтра. Как правило, во избежание недопустимого фазового сдвига основная частота сигнала давления в баллоне не должна быть более 1% от частоты фильтра.
jonnew / piezofilm: Простая схема усилителя заряда для пьезопленочных датчиков
Эта простая схема была создана для TENSS 2018. Это небольшая схема усилителя пьезо-вибрации датчики. Недорогое средство обнаружение событий взбивания грызунов у свободно движущихся животных.
Дизайн
Схема представляет собой усилитель заряда, за которым следует фильтр нижних частот второго порядка. Следовательно, на выходе получается измерение заряда с полосовой фильтрацией. накопление на датчике из-за движения. Единственная особенность в этом – что емкость обратной связи остается небольшой (10 пФ), чтобы увеличить чувствительность усилителя заряда к малейшим движениям сенсора. Параллель сопротивление обратной связи очень велико, чтобы предотвратить малую емкость что приводит к высокочастотной отсечке, которая слишком велика для обнаружения усов вызванные дезертирством.Усилитель J-FET имеет очень высокий входной импеданс и низкий входной ток смещения. Эти свойства позволяют ему работать с этими экстремальными значениями. без (1) загрузки самого датчика и (2) приводящего к насыщению в выход из-за токов смещения, заряжающих конденсатор со скоростью, превышающей компенсация через резистор обратной связи соответственно.
Коэффициент усиления преобразования заряда в напряжение первой ступени равен:
$$ K_1 = 1 / C_f $$
, где $ C_f $ – емкость обратной связи.Отсечка высоких частот заряда усилитель от
$$ f_ {high} = 1 / (2 \ pi R_f C_f) $$
, где $ R_f $ – сопротивление обратной связи. При значениях в этой схеме это работает до 159 Гц (TODO: это слишком высоко, поднимите $ C_f $ и увеличьте вторую сценическое усиление). Коэффициент усиления в полосе пропускания фильтра нижних частот, который следует за зарядом усилитель от
$$ K_2 = 1 + R_A / R_B $$
где $ R_ {A, B} $ – номиналы резисторов в делителях напряжения. формирование сети обратной связи для операционного усилителя.Это работает до 2 в токовая цепь. Отсечка низких частот задается
$$ f_ {low} = 1 / (2 \ pi \ sqrt {R_1 R_2 C_1 C_2} $$
Это работает до 234 Гц в цепи тока. Это чуть выше верхнего конец резонансной частотной характеристики 180 Гц для LDT0-028K пьезопленочный датчик.
Ведомость материалов
Спецификация доступна в этом документе Google.
Использование
- Батареи 9 В могут быть подключены снизу или питание может подаваться через средний винтовой зажим.Используйте что-нибудь в диапазоне +/- 18 В.
- Переключатель включает усилитель.
- Выход поступает от самой правой винтовой клеммы.
- Вход может быть обеспечен либо через винтовой зажим (вход B), либо через 0,1 дюйма шаговый разъем (вход A). Они связаны внутренне, поэтому используйте только один.
- Для использования со свободно движущимися животными печатная плата не должна быть жестко прикреплена к арена поведения – легко улавливает вибрации животного бегать. Вместо этого он должен быть механически отсоединен от среда.Хорошее решение – установить печатную плату на тяжелом предмете (например, на стальной пластиной), а затем поместите эту сборку на подушку из скрученной баллоны. Пьезопленочный датчик может проходить через приподнятый пол арены. через отверстие.
Формирователи сигналов | Учебное пособие по акселерометру
Ввиду шума сигнала и простоты передачи сигнала хорошим местом для установки усилителя является сам акселерометр. Фактически, довольно часто помещают небольшую электронику внутри корпуса датчика, когда это позволяют такие характеристики, как температура и другие условия окружающей среды.С годами определенная техника стала нормой. Этот метод называется IEPE и расшифровывается как Integrated Electronics Piezo-Electric, но есть также зарегистрированные торговые названия, такие как ISOTRON (Endevco), ICP (PCB), CCLD и DeltaTron (оба B&K) или Piezotron (Kistler). Электроника датчика IEPE преобразует сигнал с высоким импедансом пьезоэлемента в сигнал с низким импедансом. Мы находим преобразователи заряда в напряжение, а также так называемые повторители напряжения, которые выдают такое же напряжение, как и на вход, но с низким выходным сопротивлением.С кондиционером, установленным в датчике, мы можем использовать выходное пьезоэлемент, поскольку нет кабеля, нагружающего пьезоэлемент. Полная схема IEPE включает в себя источник постоянного тока в качестве источника питания, который расположен на дальнем конце коаксиального соединительного кабеля. Схема IEPE представляет собой двухпроводную систему, что означает, что и ток питания, и выходное напряжение передаются только по одному проводу, помимо общего возврата.
Базовая конструкция такого IEPE состоит из простого полевого МОП-транзистора, иногда за которым следует транзистор с биполярным переходом (BJT).На дальнем конце находится источник постоянного тока.
На схеме показана полная схема.
Пьезоэлемент снова представлен источником переменного тока ip и элементами Rp и Cp. Встроенная схема датчика состоит только из полевого МОП-транзистора, конденсатора Cr и резистора Rt.
Выносной блок питания
Типовая схема IEPE с пьезоэлементом, MOSFET, соединительным кабелем и блоком питания
, соединенными кабелем емкостью Cc.От источника постоянного тока, который должен иметь достаточное напряжение питания (аккумулятор или внешний источник), постоянный ток питания вырабатывается диодом постоянного тока D. Типичные токи питания находятся в диапазоне от 2 до 20 мА.
Ток через полевой МОП-транзистор создает постоянное напряжение смещения Ubias, обычно от 7 до 14 В в зависимости от тока питания. Такое расположение называется схемой повторителя источника. Истоковый повторитель имеет очень высокий входной импеданс и выходной импеданс порядка 100 Ом, также в зависимости от тока питания.
МОП-транзистор используется в качестве буферного усилителя. Он разделяет всю схему в основном на две области: на входной стороне преобладает ip и на передающей стороне преобладает isup isup.
Напряжение переменного тока пьезоэлемента Up присутствует на входе затвора (g) полевого МОП-транзистора и добавляется к напряжению смещения Ubias. Напряжение Us на выводе (ах) истока следует за напряжением затвора (отсюда «истоковый повторитель»). Коэффициент усиления повторителя вместе с диодом постоянного тока очень близок к единице.
Us = Ubias + Up всегда положительно и колеблется вокруг Ubias. В модуле питания напряжение полезного сигнала Uout отделяется от Us конденсатором Cd и снова превращается в чистый сигнал переменного тока.
Когда пьезоэлемент выдает заряд Q, течет ток ip = dQ / dt и заряжает емкость пьезоэлемента Cp, а также Cr и Cg. Выходное напряжение Up принимает значение
.квартал
Up = –––––––––––
Cp + Cr + Cg
Cp и Cg – заданные характеристики пьезоэлемента, соответственно, полевого МОП-транзистора.Конденсатор диапазона Cr позволяет изменять чувствительность (только в сторону уменьшения). Обычно мы можем пренебречь емкостью затвора Cg, потому что она составляет всего несколько пикофарад, однако некоторые пьезоэлементы, такие как кварц, имеют чрезвычайно малую емкость, и тогда Cg может влиять на чувствительность.
Параллельно конденсатору диапазона Cr мы находим синхронизирующий резистор Rt, который позволяет контролировать разряд конденсаторов на входной стороне, формируя фильтр верхних частот с постоянной времени T = Rt · (Cp + Cr + Cg).
Граничные условия, которые необходимо соблюдать
На передающей стороне цепи мы должны проверить емкость кабеля Cc. Работа с длинными кабелями может повлиять на частотную характеристику или вызвать искажение, когда ток питания недостаточен для управления емкостью кабеля. Вот предложение для оценки предельной частоты fc для передачи. Мы предполагаем, что диод постоянного тока D представляет собой резистор R, который передает такой же ток isup.Также предполагается, что цепи IEPE требуется 1 мА, поэтому ток, доступный для зарядки емкости кабеля, равен ic = isup -1 мА. Максимальный ток необходим для достижения пикового напряжения сигнала Upk на предельной частоте fc. С постоянной времени R · Cc предельная частота fc для уменьшения сигнала -3 дБ становится равной
.fc = 1 / (2π · R · Cc).
Чтобы избавиться от R, берем R = Upk / ic = Upk / (isup -1 мА) и получаем
isup -1 мА
fc = ––––––––––
2π Cc Upk
Например:
С 50-метровым кабелем при 100 пФ / м получаем Cc = 5’000 пФ.Мы предполагаем, что Upk = 5 В и up = 4 мА
4-1 мА
fc = ––––––––––––––– = 19,1 кГц
2π · 5000пФ · 5В
Это только приблизительная оценка и -3 дБ довольно много. Поэтому рекомендуется использовать только половину расчетной полосы пропускания, то есть около 10 кГц в этом примере. Поставщики обычно предоставляют номограммы для определения предельной частоты. Мы можем сохранить: Чем выше ток питания, тем больше возможная длина кабеля.
При рассмотрении очень низких частот может быть важна еще одна деталь: развязывающий конденсатор Cd вместе с входным сопротивлением дополнительного прибора образуют еще одну постоянную времени RC, на этот раз фильтр верхних частот. Обычно при 10 мкФ для Cd нам требуется входное сопротивление не менее 1 МОм на последующем оборудовании, чтобы получить постоянную времени 10 секунд. Это также предполагает выходное сопротивление полевого МОП-транзистора <100 Ом. Как правило, постоянная времени связи должна быть как минимум в 10 раз больше постоянной времени датчика.
Сводка
Хотя схема IEPE может быть чрезвычайно простой, необходимо учесть несколько соображений, чтобы сделать ее правильной. Конечно, есть и более сложные формирователи сигналов, которые имеют стандартный интерфейс для сигнала передачи и включают в себя также источник питания, так что проблем быть не должно.
Кабель не должен быть особенно тихим, как для передачи заряда. Стандартный коаксиальный кабель подойдет.
Благодаря своей простоте эти встроенные схемы очень надежны даже в суровых условиях.Существуют датчики IEPE с удивительно экстремальными температурными возможностями от криогенных температур (5 ° K) до 175 ° C или даже 200 ° C.
О пьезо, Arduino и усилителях заряда: AskElectronics
Всем привет! Я пытаюсь преобразовать контроллер ударных GuitarHero в правильные барабаны с выходом MIDI OUT.
Каждая часть ударной установки имеет пьезоэлектрический датчик. Я планирую собрать плату с Arduino Nano.
Стабилизатор напряжения (7805 в упаковке to92 должно быть достаточно? Поправьте меня, если я ошибаюсь) должен использовать вход настенного источника питания 9 В постоянного тока и создавать 5 В, необходимые для интеграции Arduino и пьезотока.
Я видел подключение пьезо напрямую к Arduino, используя резистор 1 МОм параллельно датчику, но я попробовал это, и это показалось мне очень ненадежным и не таким точным. Решение, которое я видел, заключается в использовании операционного усилителя в качестве усилителя заряда (https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_amplifier) для преобразования заряда в напряжение. Я следил за обсуждением, опубликованным на форуме ti (https://e2e.ti.com/support/amplifiers/f/14/t/294946?about-charge-amplifier), и использовал первую схему (дифференциальные входы).
Есть несколько вещей, в которых я не уверен: можно ли использовать меньшие резисторы в качестве R2 и R3? Я предполагаю, что R3 предназначен для изменения опорного напряжения на + входе усилителя, но без большого тока. Есть ли корреляция между двумя резисторами? У меня с собой только резисторы на 4,7 МОм, и CoVi сильно усложняет мне покупку (да, Италия…).
Также: у меня с собой только несколько операционных усилителей: NE5532, TL082 и LM324N. Я предполагаю, что последний – единственный полезный усилитель, потому что он правильно работает в приложениях с однополярным питанием.В таком случае, нужно ли что-нибудь изменить в схемах, чтобы они работали с LM324N безупречно? У меня также есть старый осциллограф и мультиметр, могу ли я как-нибудь точно настроить мою схему, проверив значения, поступающие с пьезо?
Мне очень жаль, что я все еще очень запутался в ЭЭ в целом, я студент CS, не имеющий академических знаний о схемах и электрических компонентах. Кроме того, если кому-то понадобятся схемы, я могу собрать их в Eagle и разместить здесь. Я не упоминал об этом раньше, но я использую конденсатор на 1000 мкФ (25 В) перед 7805 и керамический конденсатор 104 для заземления рядом с выводом питания LM324N.
Если у кого-то есть ссылки на правильную информацию об использовании пьезо, не стесняйтесь ссылаться на них! У меня сейчас полно свободного времени:
Понимание и использование усилителей заряда
Усилитель заряда – не самый распространенный тип усилителя, но очень полезен в определенных обстоятельствах, это действительно интегратор тока, который вырабатывает напряжение. выход пропорционален интегрированному значению входного тока. Это полезно, когда датчик является емкостным, например пьезоустройство, которое может быть микрофоном, гидрофоном или если датчик является фотодетектором.Усилитель заряда на базе операционного усилителя выглядит так:
Резистор R1 должен обеспечивать рабочую точку постоянного тока для операционного усилителя – без него выходной сигнал операционного усилителя будет дрейфовать вверх или вниз, пока не попадет на шины питания, в зависимости от полярности тока смещения операционного усилителя. Важно, чтобы резистор был достаточно низким, чтобы обеспечить подходящую рабочую точку для операционного усилителя, не влияя на желаемые характеристики. Сопротивление должно быть выше, чем полное сопротивление C1 на самой низкой интересующей частоте.Для операционных усилителей с низким током смещения, таких как вход FET или вход CMOS, значение может быть очень высоким, как показано.
«Коэффициент усиления» усилителя заряда неочевиден, поскольку он зависит от емкости источника сигнала. Например, гидрофон Brüel & Kjr 8103 имеет емкость 3850 пФ, поэтому в этом случае усиление будет 20 log (3850 пф / 100 пиков) или 31,7 дБ. «Коэффициент усиления» не обязательно является очевидным способом описания передаточной функции, поскольку выходное напряжение будет пропорционально заряду преобразователя.Однако часто удобно думать о сигнале как о напряжении, и что напряжение исходит от определенной емкости и, следовательно, имеет определенный заряд.
Например, принимая во внимание спецификации B&K 8103, чувствительность указывается как 0,12 пКл / Па, а также 30 мкВ / Па. Поскольку емкость составляет 3850 пФ, чувствительность к заряду должна быть основана на Q = CV, поэтому 30 мкВ x 3850 пФ, что составляет 0,12 пКл – это же значение, указанное B&K, оно просто выражено двумя разными способами.
Характеристики переменного тока схемы в качестве примера показаны ниже.
Как и ожидалось, усиление составляет 31,7 дБ. Точка отсечки 3 дБ определяется ограничениями полосы пропускания операционного усилителя. Для моделирования этого усилителя преобразователь был смоделирован как источник напряжения с последовательным конденсатором:
Преобразователь можно также смоделировать как источник тока, подключенный параллельно конденсатору, что было бы целесообразно, если бы преобразователь был фотодиодом с обратным смещением.
Низкочастотная точка 3 дБ будет определяться R1 и C1, которые в этом случае при 100 пФ и 50 МОм будут равны 31.8 Гц. Если моделирование продлить до этой частоты, вы увидите, что это действительно нижняя частота среза.
Если источником сигнала является фотодиод, вы получите входной ток только в одном направлении, поэтому выход усилителя заряда перейдет на новое значение и останется там до тех пор, пока комбинация резистор / конденсатор обратной связи не разрядит конденсатор обратной связи. Итак, вы получаете такой импульс:
.Введенный заряд определяет высоту импульса (в данном случае отрицательный импульс, потому что ток был введен на вход операционного усилителя).Спад импульса определяется комбинацией конденсатор / резистор обратной связи. Таким образом, в этом случае вам может потребоваться более быстрое затухание и, следовательно, более низкое сопротивление резистора обратной связи. Такая схема и импульсный выход полезны в таких устройствах, как идентификатор изотопного излучения, где важны как высота импульса, так и количество импульсов. Некоторое формирование импульса часто выполняется после стадии начального усилителя заряда перед измерением высоты пика.
.