Mechanisch-elektrischer Umformer
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Umformer, mit einem piezoelektrischen Element und einem an dieses angeschlossenen Impedanzwandler, die beide in einem Gehäuse angeordnet sind.
Piezoelektrische Umformer werden häufig zur Umwandlung der physikalischen Grösse Kraft in ein elektrisches Signal verwendet, beispielsweise bei Beschleunigungsmessern, in Drucküberwachern von Strahl- und Raketentriebwerken, zum Messen von Schwingungsausschlägen und bei Kraftmessern allgemein. Die Verwendung von piezoelektrischen Materialien ist allgemein gebräuchlich, wobei insbesondere deren hohe Eigenfrequenz und gute mechanische Festigkeit von Bedeutung sind. Eine Schwierigkeit bei der praktischen Verwendung derartiger Materialien liegt aber darin, dass die bei einer Druckbeanspruchung abgegebene Spannung sehr gering und dass die Spannungsquelle darüber hinaus extrem hochohmig ist.
Um - wie es bei Messinstrumenten gefordert wird - auch kleinste Messwerte bzw. abgegebene elektrische Signale erfassen zu können, müssen entsprechend hochohmige Kabel und Messverstärker verwendet werden. Eine Direktübertragung der von einem entsprechenden piezoelektrischen Körper abgegebenen Signale über grössere Entfernung, beispielsweise zu einem Verstärker, ist in keinem Fall möglich.
Damit besteht die Notwendigkeit, die von einem piezoelektrischen Element abgegebenen Signale direkt einem Impedanzwandler zuzuführen, bevor sie weiter verstärkt bzw. etwa entfernt angeordneten Auswertungsstationen zugeführt werden können. Als Impedanzwandler wurden dabei bisher in der Regel bipolare Transistoren in verschiedenen Abwandlungen der Kollektorbasisgrundschaltung angeordnet. Der Einsatz von Röhren in derartigen Anwendungsfällen verbietet sich von allein, da Elektronenröhren erstens hinsichtlich Versorgungs- bzw. Speisespannungen zu grosse Anforderung stellen und zweitens vor Schwingung bzw. Stössen, wie sie ja im Einzelfall durch das piezoelektrische Element gemessen werden sollen, geschützt werden müssen.
Die bisher zur Anwendung gekommenen Transistor-Schaltungen weisen sämtlich den Nachteil auf, dass sie - verglichen mit dem piezoelektrischen Element - relativ niedere Eingangswiderstände von ca.
109 Ohm besitzen. Weiter ist die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors der Schaltung von Länge und Eigenkapazität des Verbindungskabels zwischen dem piezoelektrischen Element und der Verstärkerstufe von grösstem Nachteil. Darüber hinaus treten insbesondere noch weitere Faktoren, wie Spannungsverstärkung kleiner eins, relativ hoher Rauschpegel, unsichere Stabilitätseigenschaften sowie schlechtes Temperaturverhalten dieser Schaltungen nachteilig in Erscheinung.
Zur Vermeidung einiger dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, auf dem piezoelektrischen Element eine Halbleiterschicht aufzubringen und diese Schicht mit einer mittig angeordneten Steuerelektrode sowie einer Eingangs- und einer Ausgangselektrode zu versc- hen. Die Steuerelektrode der Halbleiterschicht ist an eine Elektrode des piezoelektrischen Elements anzuschliessen, so dass, wenn letzteres mechanisch erregt wird, die Piezospannung an der Steuerelektrode anliegt. Diese Spannung steuert in Verbindung mit den mechanischen, über das piezoelektrische Element auf die Halbleiterschicht übertragenen Schwingungen den von der Eingangs- zur Ausgangselektrode, fliessenden Ladungstransport.
Eine derartige Anordnung hat jedoch insbesondere den Nachteil ausserordentlich hoher Herstellungskosten infolge der ungewöhnlichen und speziellen Verbindung der Halbleiterschicht und des piezoelektrischen Elements, wozu als weiterer schwerwiegender Nachteil kommt, dass die bekannte kombinierte Anordnung aufgrund der Temperatur- und Lichtempfindlichkeit des Halbleiterwerkstoffs nur bei geschützten und temperaturstabilen Anwendungsgebieten eingesetzt werden kann. Aber selbst in derartigen ausgesucht günstigen Anwendungsfällen ist bei kürzester Überlastung eine Beschädigung oder Zerstörung der relativ spröden Halbleiterschicht infolge der mechanischen Verbindung mit dem piezoelektrischen Element unvermeidbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden und einen mechamisch-elektrischen Umformer anzugeben, welcher mit einem Eingangswiderstand von z.B. mehr als 1014 Ohm und einer Eingangskapazität von z.B. ca. 4 pF eine optimale Anpassung an ein piezoelektrisches Element ermöglicht und dabei ohne Leistungsabfall, verstärktes Rauschen oder sonstige negative Einflüsse ein Anordnen des piezoelektrischen Elements auch an von der Auswertungsstation weit entfernten Orten ermöglicht. Dabei sollen zur Übertragung unterschiedlich lange Kabel mit einem Isolierwiderstand bis herab zu 105 Ohm und mit Kabclkapazitäten bis zu 50 000 pF oder mehr eingesetzt werden können.
Weiter sollen sowohl die NF- als auch die HF-Ansprechempfindlichkeit sowie die Bandbreite des Messwertspektrums erhöht werden, und soll der erfindungsgemässe Umformer reproduzierbare Messergebnisse in einem Temperaturbereich von ca. -185 C bis +150 C ermöglichen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Impedanzwandler einen MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit n- oder p-dotiertem Kanal mit einem G-Pol, einem D-Pol und einem S-Pol aufweist, dass die eine Elektrode des piezoelektrischen Elements mit dem G-Pol und die andere Elektrode direkt oder über die Eingangsanschlüsse eines Verstärkers, je nach Kanal-Dotierung mit dem S-Pol oder mit dem D-Pol des Feldeffekttransistors verbunden ist, und dass am Gehäuse ein zum Anschluss eines zweiadrigen Vcrbindungskabels bestimmter Ausgangs-Kabelanschluss vorgesehen ist, welcher direkt oder unter Zwischcnschaltung des Verstärkers mit dem S- und D-Pol des Feldeffektrransistors verbunden ist.
Insbesondere für die Übertragung eines Messignals über Kabellängen in der Dimension von mehreren 100 Metern, wie es z. B. bei der Überwachung bzw. Registrierung von thermonuklearen Explosionsdrucken erforderlich wird, ist es von Vorteil, wenn der D'-Pol des MOSFET über einen bipolaren Transistor mit dem Kabelanschluss verbunden ist.
Eine besonders gegenüber mechanischen, elektrostatischen und temperaturbedingten Störeinflüssen widerstandsfähige und kompakte Ausführungsform des Umformers ergibt sich, wenn das Gehäuse ein leitfähiger, elektrostatisch abschirmender Metallmantel ist, das piezoelektrische Element eine Anzahl von im Gehäuse angeordneten Quarzscheiben aufweist, deren optische Achsen in jeweils derselben Ebene ausgerichtet sind, und im Gehäuse eine seismische Masse und eine die Quarzscheiben und die seismische Masse umgebende und eine Vorbelastungskraft auf die Quarzscheiben ausübende Hülse vorgesehen sind. Bei einer derartigen Ausführungsform vermag der Umformer überraschenderweise unabhängig von der Kabelkapazifät eine Ausgangsspannung von #5 V bei sehr guter Linearität von 0,01% zu liefern.
Die Gesamt-Spannungsverstärkung des Umformers beträgt etwa 0,95 bei einer oberen Frequenzgrenze von mehr als 300 kHz, wenn der Umformer ohne ein unmittelbar mit einem Oszillographen oder einer anderen Ausgangsvorrichtung verbundenes Kabel verwendet wird, und einer unteren Frequenzgrenze von etwa 50 kHz bei Verwendung in Verbindung mit einer Kabelkapazität von 0,05 F. Hierdurch werden niedrige Ausgangsimpedanzen im Bereich von 50-100 Ohm bei hohem Spannungspegleausgang durch Verwendung eines einziegn, zu einer entfernten Stromquelle führenden Koaxialkabels ermöglich. Die Vorrichtung besitzt verhältnismässig geringe Grösse und vermag mit langen Kabeln über einen weiten Frequenzbereich hinweg mit niedrigem Rauschpegel zu arbeiten.
Bei Verwendung des Umformers in Verbindung mit Kabeln ist das System vollständig unempfindlich gegenüber Kabeldurchbiegung und -feuchtigkeit, wodurch die bisher bekannten Verstärkerkonstruktionen beeinträchtigt wurden.
Das durch den neuen Umformer gewährleistete statische Ansprechverhalten ist ebenfalls von grosser Be deutung. Ein piezoelektrischer Umformer kann in der Praxis nur auf statischem Weg für alle Anwendungsfälle, mit Ausnahme einiger weniger, kalibriert werden, da die dynamische Kalibrierung insbesondere bei höheren Frequenzen zu grosse Anforderungen an die Kalibrierausrüstung stellt. Beispielsweise erfordert das dynamische Kalibrieren eines druckempfindlichen Umformers im hohen Frequenzbereich komplizierte Druckquellen und Fluidum-Ventilsteuervorrichtungen, welche vom wirtschaftlichen Standpunkt her praktisch nicht vertretbar sind.
Die statische Kalibrierung bietet dagegen ein einfaches Verfahren zum Kalibrieren des Umformers für nahezu alle Anwendungsfälle, da ein Gleichstromsignal einfach dadurch erhalten werden kann, dass ein oder mehrere unterschiedliche Gewichte an den Umformer angelegt werden und das abgegebene Gleichstromsignal aufgezeichnet wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Umformers ist, dass Versorgung und Signalübermittlung zwischen Umformer und Auswertungsstation über nur ein herkömmliches, recht preiswertes Koaxialkabel, eine Überlandleitung oder eine Bandleitung durchgeführt werden kann. Andere wichtige Vorteile, welche den erfindungsgemässen Umformer von anderen transistorisierten Umformeranordnungen beispielsweise auch unter Verwendung von Feldeffekttransistoren unterscheiden, sind das gute statische Ansprechverhalten, d. h. Zeitkonstanten bis zur Dauer von Jahren, ausserordentlich hohe Spannungsempfindlichkeit bei hohen Spitzenspannungen und nahezu lineares Ansprechverhalten über einen weiten Frequenzbereich.
Gleichzeitig kann der erfindungsgemässe Umformer so ausgebildet werden, dass er die wünschenswerten Merkmale geringer Grösse, niedrigen Gewichtes und insgesamt eine den piezoelektrischen Materialien und Halbleiterbauelementen eigene Robustheit erhält. Als vorteilhaft wird dabei die Verwendung von Quarzkristallen angesehen, obgleich auch andere herkömmliche piezoelektrische Stoffe wie beispielsweise Rochellesalz oder keramische Stoffe wie Bariumtitanat Anwendung finden konncn. Als zusätzhcher Vorteil ergibt sich, dass der Ausgangwiderstand der praktischen Ausfühden Dimensionen des Eingangswiderstandes bekaunter Messinstrumente bzw. Registriergeräte liegt, so dass eine Anpassung ohue zusätzliche und aufwendige Schaltungsmassnahmen möglich ist. Die technische Ausführungsform des erfindungsgemässen Umformers erfordert nur normale IsoIationswiderstandswerte.
Im tolgenden sind einige Austührungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines mechanisch-elektrischen Umformers mit in einer Fernstation angeordneter Spannungsversorgung,
Fig. 2 eine weitere Ausführung des erfindungsgemässen Umformers mit in einer Fernstation gelegener Spannungsversorgung,
Fig. 3 eine Ausführungsform, bei welcher der Umformer derart mit einer Überwachungsstation gekoppelt ist, dass das Messignal sowohl als Spannung als auch als Ladung zur VErfügung steht,
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher der Umformer als Stromquelle und nicht als Spannungsquelle geschaltet ist,
Fig. 5 eine abgewandelte Ausführung der Schaltung gemäss Fig. 4, bei welcher der Umformer ebenfalls als Stromquelle dient, und
Fig. 6 einen Schnitt durch den mechanisch-elektrischen Umformer als fertiggestellter Bauteil mit einem Schaltungsaufbau gemäss Fig. 2.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist der Umformer 10 als Hauptbestandteile einen Quarz 12 mit piezoelektrischen Eigenschaften und einen als Impedanzwandler wirkenden MOS-Feldeffekttransistor 14 (MOSFET) auf. Der Quarz 12 und der Impedanzwandler 14 sind, wie gestrichelt angedeutet, in einem noch näher zu erläutem- den abgeschirmten Gehäuse 20 eingebaut und am zu überwachenden Messplatz angeordnet. Die Signale werden vom Umformer 10 über ein Koaxialkabel 16 an eine Fernstation 22 übertragen, die mehrere hundert Meter entfernt angeordnet sein kann. Ein mit RL bezeichnter Lastwiderstand 18 kann durch den Innenwiderstand der durch die Batterie 24 dargestellten Spannungsquelle gebildet werden, welche den Impedanzwandler 14 über das Kabel 16 speist.
An der Fernstation 22 wird über den Ausgangsklemmen 26 und 28 einem entsprechenden Verbraucher, beispielsweise einem Oszillographen, ein Signal zugeführt. Andererseits kann auch an den Ausgangsklemmen 27 und 28 der Fernstation eine Ladung abgenommen werden, indem die Ausgangsklemme 27 über einen Kondensator 30 mit der Ausgangsklemme 26 gekoppelt wird.
Der Impedanzwandler 14 ist als MOS-Feldeffekt- transistor in Kollektor-Basisschaltung ausgeführt, wel cher einen G-Pol (gate) 32, einen D-Pol (drain) 36 und einen S-Pol (source) 34 aufweist.
Dabei sind im Rahmen der Erfindung je nach Schaltungsaufbau sämtliche Typen von MOS-FET's andwendbar. nämlich entweder adepletion mode oder enhancement mode , wobei die Dotierung des Strom- pfades jeweils entweder N oder P sein kann.
In den Fig. 1 bis 3 ist die Schaltung in Verbindung mit einem Transistor 14 mit isolierter Basis vom enhancement Typ mit positiv dotiertem Strompfad dargestellt. Diese Art von MOS-Transistoren wurde gewählt, weil sie die Verwendung einer positiven Betriebsspannung durch die Batterie 24 ermöglicht und die Schaltung somit an die Raumfahrt-Stromversor- gungsgeräte angepasst ist, bei welchem am häufigsten positive Stromquellen zur Verfügung stehen. Der hohe Widerstand von MOS-Feldeffekt-Transistoren zwi schen G-Pol und D-Pol von bis zu 1015 # bei gleichzeitig geringer Eingangskapazität ermöglicht eine Überwachung auch statischer Signale. Die elektrische Ladung, welche der Quarz 12 proportional zu der an ihn gelegten Kraft abgibt, wird über zwci Elcktroden 38 und 40 abgenommen.
Die Eigenkapazität 42 der Quarzanordnung kann irgend einen Wert in der Grössenordnung von 1-50 000pF betragen, liegt in der Regel aber zwischen 100 und 1000pF Eigenkapazitäten der Verbindungskabel zwischen Quarz 12 und Impedanzwandler 14 können aufgrund der äusserst geringen Entfernung sowie entsprechender Anordnung vermieden werden. Der Impedanzwandler 14 hat eine Eingangskapazität im Bereich von etwa 4 pF, so dass sie gegenüber der Eigenkapazität der Quarzanordnung vernachlässigt werden kann. Obgleich die Grösse der durch ein piezoelektrisches Element als Funktion der angelegten Kraft erzeugten Ladung bei Quarz nicht so hoch ist wie bei einigen keramischen Materialien, ist die Eigenkapazität Cs entsprechend gering und somit die anliegende Spannung gemäss
U=Q/C ziemlich hoch.
Das über den Elektroden 38 und 40 liegende Signal erzeugt am G-Pol des Impedanzwandlers 14 ein elektostatisches Feld, welches den Stromfluss durch diesen und damit durch den Lastwiderstand 18 an der Fernstation 22 steuert.
Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei welcher vom Transduktor 10 ein verstärktes Signal abgegeben wird, wobei der Verstärkerausgang darüber hinaus für eine Übertragung über längere Kabelwege niederohmiger ist.
Die Schaltung gemäss Fig. 2 weist eine ähnliche Anordnung wie die in Fig. 1 beschriebene Schaltung auf, wobei zusätzlich ein mit Q2 bezeichneter Flächen Transistor 44 vorgesehen ist. Durch diesen Transistor 44 wird einerseits die Spannungsverstärkung der Schaltung erhöht und andererseits die Ausgangsimpedanz des Umformers 10 gesenkt. Bei einer bereits gebauten Ausführungsform der Erfindung besass die Schaltung gemäss Fig. 2 eine Spannungsverstärkung von etwa 0,95 und eine Ausgangsimpedanz über dem Ausgang des Transistors 44 von etwa 50 Ohm. Hierdurch wird die Übertragung eines breiten Frequenzbandes mit einer oberen Grenzfrequenz von mehr als 50 kHz bei Kabelkapazitäten von bis zu 50 000 pF sowie einer sich an Gleichspannung annähernden unteren Grenzfrequenz erzielt.
Der Rauschpegel am Ausgang der Schaltung ist kleiner als 0,1 mV und ändert sich nicht in Abhängigkeit von der Kabelkapazität, und Linearitäten besser als 0,01 o/o sind dabei möglich. Typische Werte für die Schaltungsparameter und -bauteile sind bei dieser Ausführungsform 12 V für die Stromquelle 24 und 1000 Q für den Widerstand 18. Der als Impedanzwandler geschaltete Feldeffekt-Transistor kann beispielsweise eine durch die Firma General Microelectronics Corporation, Santa Clara, Kalifornien/USA, unter der Bezeichnung Model X1004 hergestellte Ausführungsform sein. Der Transistor 44 ist ebenfalls ein herkömmliches Bauteil und kann beispielsweise vom Typ 2N3128 sein.
Zur Erzielung eines statischen Ansprechverhaltens ist es aber nötig, dass die Eingangsimpedanz des Umformers 14 mindestens 10t Ohm beträgt und vorzugsweise bei 1011 Ohm oder höher liegt. Durch Verwendung des Umformers 14 ist es möglich, eine Zeitkonstante von Monaten oder sogar Jahren zu erreichen, so dass ein sehr gutes Ansprechverhalten erzielt wird und eine sehr genaue statische Kalibrierung des Systems ohne weiteres möglich wird.
Fig 3 veranschaulicht die Vielseitigkeit des Umformers 10 gemäss Fig. 2, wobei eine Ausgangsklemme 46 des Transduktorsatzes an einen herkömmlichen Verstärker 50, dessen Verstärkungsgrad mit einem Potentiometer 52 eingestellt werden kann, gelegt ist, der die Signal spannung an eine Leitung 48 abgibt Weiter ist ein Ladungsverstärker 56, welcher einen üblichen, vorzugsweise direktgekoppelten Verstärker 58 mit hohem Verstärkungsgrad, der über einen Kondensator 60 stark rückgekoppelt ist, so dass seine Eingangsklemme 62 praktisch Null-Potentialpunkt aufweist, beinhaltet. Durch Verbindung der Ausgangsklemme 46 des Umformers 10 mit der Eingangsklemme 62 des Ladungsverstärkers über einen Kondensator 64 wird dem Ladungsverstärker 56 eine Ladung zugeführt, der daraufhin seinerseits über eine Klemme 54 ein proportionales Spannungssignal erzeugt.
Ersichtlicherweise ist der erfindungsgemässe Umformer 10 somit vollkommen auf die bekannten Verstärkervorrichtungen abstimmbar, so dass er ein elektrisches, vom Umformer 10 abgegebenes Signal an alle z.Zt. Überwachung, Erfassung oder Aufzeichnung von Krafterscheinungen dienenden Ausgangsausrüstungen zu liefern vermag.
Im praktischen Anwendungsfall haben sich MOS Transistoren vom depletion mode als für den Betrieb in den Schaltungen gemäss den Fig. 1 bis 3 nicht zu frieden stellend erwiesen, was darauf zurückzuführen ist, dass diese Transistoren, sofern am G-Pol O-Potential herrscht, leitend sind. Bei der Schaltung gemäss Fig. 1 würde dies dazu führen, dass, wenn ein zwischen Punkt A und Punkt B bestehendes Spannungsgefälle infolge einer Ladung sich über den mit steigender Temperatur abnehmenden Isolationswiderstand abbaut und schliesslich den Wert Null erreicht, ein MOS Transistor vom depletion mode abschalten würde.
Die MOS-Transistoren vom enhancement mode machen es andererseits crfordcrlich, dass zwischen Punkt A und Punkt C ein merkliches Potential liegt, damit zwischen den Punkten C und B ein Ladungstransport erfolgen kann. Typischerweise kann die Spannung von Punkt A relativ zu Punkt C bei der Schaltung gemäss Fig. 1 dieselbe sein wie zwischen Punkten B und A. Die Spannung am Punkt A gemäss Fig. 1 kann somit ebenso wie das Potential des D-Pois Erdpotential sein. Wird nun auf den Quarz keine Kraft ausgeübt, so liegt folglich über dem Quarz 12 kein Potential, so dass bei Abnahme des Isoationswider- standes mit steigender Temperatur keine Potentialänderung zwischen den Punkten C und B auftreten kann und das Potential am Punkt C somit stabil bleibt.
Bei der Schaltung gemäss den Fig. 1 bis 3 verschiebt sich mithin das vom Impedanzwandler abgegebene Nullsi- gnal nicht mit abnehmendem Isolationswiderstand, sondern wird eher noch stabiler.
Es ist jedoch möglich, bei der vorliegenden Schal tung einen MOS-Transistor vom depletion mode zu verwenden, wenn der Umformer als Stromquelle arbeitet und wenn an der Fernstation entsprechende Abänderungen vorgenommen werden. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Fig. 4 dargestellt, in welcher den vorangehenden Ausführungsformen entsprechende Teile wiederum mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Der Impcdanzwandler 14 weist dabei einen MOS Feldeffekt-Transistor vom depletion mode mit negativ dotiertem Kanal auf.
Die Anordnung des Umformers 10 als Stromquelle ist infolge der dadurch bewirkten geringeren Amplitudenunterdrückung der höheren Frequenzen durch Kabelkapazitäten günstiger als die Anordnung als Spannungsquelle. Gemäss Fig. 4 ist der Ausgang des Umformers 10 über das die Kabelkapazität 68 aufweisende Kabel 16 an einen Stromverzweigungspunkt 70 in der Fernstation 22 angeschlossen, welcher einerseits über eincn Widerstand 18 von beispiclsweise 1000 # mit einer Spannungsquelle 24 von beispielsweise +12V und andererseits mit dem Emitter eines Flächentransistors 72 in Verbindung steht. Die Basis des Transistors 72 ist über eine Leitung 74 an eine 6 V-Stromquelle angeschlossen, während der Kollektor des Transistors über einen 1000 Ohm-Widerstand 76 an Erde liegt.
Der Transistor 72 hat einen niederen Eingangswiderstand und gibt zwischen einer Ausgangsklemme 78 und Erde eine Spannung oder zwischen einer Ausgangsklemme 80 und Erde eine Ladung ab. Die letztgenannte Klemme ist auf ähnliche Weise wie in Fig. 1 gezeigt über einen Kondensator 82 mit dem Spannungsausgang 7ss verbunden.
Fig. 5 zeigt eine weiter abgewandelte Schaltungsanordnung, wobei den anderen Ausführungsformen der Erfindung entsprechende Teile wiederum mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäss Fig. 5 wird ein MOS-Fledeffekttransistor vom enhancement mode mit P-dotiertem Kanal mit dem Quarz 12, dem Transistor 44 und einem Arbeitswiderstand 66 im Gehäuse 20 angeordnet. Durch den Transistor 44 wird sowohl die Linearität verbessert als auch ein Leistungswiderstand erzielt. Der Umformer 10 wirkt dabei wiederum als Stromquelle, die ein Signal an den Verzweigungspunkt 70 und den Transistor 72 mit niederem Eingangswiderstand liefert. Der Verzweigungspunkt 70 wird auf bekannte Weise durch Rückkopplung praktisch auf einem. Null-Bezugspunkt gehalten.
An der Ausgangsklemme 80 liegt wiederum das Signal als Ladung gegenüber Erde, während der Spannungsausgang wie bei den vorangehenden Ausführungsformen der Erfindung durch die Klemme 78 gebildet wird.
Hierbei ist zu bemerken, dass die Stromquellen-Schal- tungen gemäss den Fig. 4 und 5 ebenso wie diejenigen gemäss den Fig. 1 und 3 vollkommen in Verbindung mit Umformern verwendbar sind und eingesetzt werden können, um einen herkömmlichen Verstärker mit veränderbarem Verstärkungsgrad, wie den Verstärker 50 gemäss Fig. 3, oder einen Ladungsverstärker, wie den Verstärker 56 gemäss derselben Figur, zu speisen.
Fig. 6 stellt einen lotrechten Schnitt durch den Umformer mit Gehäuse 20 mit den elektronischen Elementen gemäss Fig. 2 dar. Das Gehäuse 20 besitzt kreisförmigen Querschnitt und nimmt zwei Quarzscheiben 80 und 82 von jeweils kreisförmiger Abmessung auf, die jeweils mit einer Zentralöffnung 84 versehen sind. Zwischen den Quarzscheiben ist eine in gutem elektrischen Kontakt mit der die positive Ladung erzeugenden Fläche jeder Scheibe stehende aktive Elektrode 86 in Form einer dünnen Kupfer- oder Goldscheibe angeordnet. An der Elektrode 86. ist beispielsweise durch Löten oder anderweitig eine mit ihr in elektrischem Kontakt stehende Leitung 88 befestigt, die in eine Isolierhülse 90 eingezogen ist und aufwärts um den Impedanzwandler 14 zur Klcmme 92 verläuft, die ihrerseits mit dem isolierten G-Pol des MOS-FET verbunden ist.
Dieser Transistor ist seinerseits mit dem Flächentransistor 44 gemäss Fig. 6 verbunden. Der MOS-FET trägt den Transistor 44 und wird seinerseits durch einen am Transistorgehäuse ausgebildeten, in eine Isolierhülse 96 eingesetzten Flansch 94 getragen. Der S-Pol-Anschluss 98 des FET ist über eine Leitung 100 mit einem Stecker 10Q verbunden, der seinerseits mit einem zwischen zwei vorzugsweise aus Teflon (Tetrafluoräthylen) bestehenden Isolierhülsen 106 und 108 eingeklemmten Ringflansch 104 versehen ist. Nachdem der Steckerstift und die Hülse 106 und 108 in das Gehäuse 20 eingebaut worden sind, wird das Ende des Mantels beispielsweise bei 112 herumgebörtclt, um den Stecker 102 unter Spannung zwischen den Hülsen festzuhalten. Die Hülse 108 ist mit einer Schulter 114 versehen, die auf einer ähnlichen Schulter im Gehäuse 20 aufliegt.
Das Ende der Leitung 100 ist bei 116 vorzugsweise um den Steckerstift herumgewickelt und an ihm angelötet.
Die den FET aufnehmende Hülse 96 besteht aus einem beliebigen Isoliermaterial, wie Nylon (ein Polyamid), und ist ihrerseits in eine passende Ausnehmung im Ende einer seismischen Masse 118 eingesetzt, die einen Teil einer vorbelasteten Quarzanordnung 120 bildet. Eine aus rostfreiem Stahl bestehende Hülse 122 ist mit einem erweiterten Ende 124 versehen, das eine Schulter 126 der seismischen Masse übergreift, während das andere Ende der Hülse 122 vorzugsweise bei 128 durch Punktschweissung an der Basis 130 der Quarzanordnung befestigt ist. Schliesslich weist die Quarzanordnung noch zwei aus rostfreiem Stahl bestehende Temperatur-Ausgleichscheiben 132 und 134 auf, die jeweils an einer Seite der gestapelten Quarzscheibe 81 und 83 angeordnet sind.
Beim Zusammenbau werden die Quarzscheiben vorzugsweise mit ihren optischen Achsen in denselben Ebenen ausgerichtet, so dass sie sich unter den Temperaturschwankungen, welchen der Transduktor ausgesetzt ist, gleichmässig ausdehnen und zusammenziehen. Die aus rostfreiem Stahl bestehenden Scheiben 132 und 134 unterstützen weiterhin die Verminderung übermässiger, in den Kristal- len aufgebauter Beanspruchungen infolge von Temperaturschwankungen, indem sie die Temperaturkoeffizienten der Quarzscheiben besser an die benachbarten, die seismische Masse 118 und die Quarzanordnungsbasis 130 bildenden Metallteile anpassen. Darüber hinaus bilden die aus rostfreiem Stahl bestehenden Scheiben 132 und 134 Masseelektroden für die Quarzscheiben, die über die Hülse 122 und die Basis 130 der Anordnung mit Hilfe der Umformer-Basis 136 zum Gehäuse 20 geerdet sind.
Die Basis 136 ist bei 138 in die Basis 130 eingeschraubt und ihrerseits bei 140 mit Innengewinde zum Anbau des ganzen Umformers auf das zu prüfende oder zu überwachende Element versehen. Die Basis 136 ist am unteren Ende des Gehäuses 20 befestigt. Das obere Ende des Gehäuses ist bei 142 mit Aussengewinde zum Anschliessen der Aussen- bzw.
Erdleitung eines passenden Koaxial-Verbindungskabels versehen, wobei die abgegebene Spannung zwischen Buchse 142 (Erde) und dem Steckerstift 102 anliegt.
PATENTANSPRUCH I
Mechanisch-elektrischer Umformer, mit einem piezoelektrischen Element und einem an dieses angeschlossenen Impedanzwandler, die beide in einem Gehause angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Impedanzwandler einen MOS-Feldeffekttransistor (14) mit n- oder p-dotiertem Kanal mit einem G-Pol (32), einem D-Pol (36) und einem S-Pol (34) aufweist, dass die eine Elektrode (38) des piezoelektrischen Elements mit dem G-Pol (32) und die andere Elektrode (40) direkt oder über die Eingangsanschlüsse eines Verstärkers, je nach Kanal-Dotierung mit dem S-Pol (34) oder mit dem D-Pol (36) des Feldeffekttransistors verbunden ist, und dass am Gehäuse ein zum Anschluss eines zweiadrigen Verbindungskabels bestimmter Ausgangs-Kabelanschluss (102, 142) vorgesehen ist,
welcher direkt oder unter Zwischenschaltung des Verstärkers mit dem S- und D-Pol des Feldeffekttransistors verbunden ist.
UNTERANSPRÜCHE
1. Umformer nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (14) vom Steigerungstyp mit p-dotiertem Kanal ist.
2. Umformer nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärker ein Transistor (44) vorgesehen ist.
3. Umformer nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Transistor (44) ein bipolarer Transistor vorgesehen ist.
4. Umformer nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des bipolaren Transistors (44) mit dem S-Pol (34) und die Basis des bipolaren Transistors mit dem D-Pol (36) des Feldeffekttransistors verbunden ist.
5. Umformer nach Patentanspruch I oder einem der Unteransprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor über einen im Gehäuse vorgesehenen Lastwiderstand (66) mit dem Kabelanschluss (102, 142) verbunden ist.
6. Umformer nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) ein elektrisch leitender, elektrostatisch abschirmender Metallmantel ist, dass das piezoelektrische Element (12) eine Mehrzahl von im Gehäuse angeordneten Quarzscheiben (80, 82) aufweist und dass im Gehäuse eine Masse (118) und eine die Quarzscheiben und die Masse umgebende und eine Vorbelastungskraft auf die Quarzscheiben aus übende Hülse (122) vorgesehen sind.
PATENTANSPRUCH II
Verwendung des Umformers nach Patentanspruch I zur Signalübermittlung an eine von ihm entfernt gelegene, eine Stromquelle (24) aufweisende Empfangsstelle, wobei die Stromquelle mit dem Umformer über ein Kabel verbunden ist.
UNTERANSPRÜCHE
7. Verwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Kabel (16) ein Koaxialkabel vorgesehen ist.
8. Verwendung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am stromquellenseitigen Ende des Kabels ein Spannungsverstärker angeschlossen ist.
9. Verwendung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am stromquellenseitigen Ende des Kabels (16) ein Ladungsverstärker angeschlossen ist.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.