JP2004506186A - 高周波数および低周波数帯域の双方出力トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
センサからの高インピーダンスで広い周波数範囲の信号を2つの低インピーダンス信号に変換するトランスデューサ回路、変換方法およびシステムに関し、この低インピーダンス信号の一方は入力信号の高周波数成分を含み、他方は低周波数成分を含む。センサは、動作または振動を、広い周波数範囲を有する高インピーダンスの電気信号に変換する圧電(PE)センサでもよい。低周波数の回路出力は、センサの周波数帯域の線形領域における周波数を包含することができる。高周波数出力は、センサの固有共振周波数を包含することができる。本回路は、低周波数フィルタ増幅器モジュールと高周波数フィルタ増幅器モジュールとを有し、両増幅器モジュールは、負帰還、高入力インピーダンス、および低出力インピーダンスを有する。両出力はDCバイアスを含んでもよい。本回路はまた、両フィルタ増幅器モジュールを互いに分離するソース・フォロワを有する。さらに、ソース・フォロワは、電気的に、センサと高周波数フィルタ増幅器モジュールとの間に配置され、演算増幅器を設ける。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【0001】
【発明の背景】
トランスデューサは、物理量を測定するために、エネルギーをある形態から別の形態に変換するのに使用される装置である。典型的なトランスデューサは、機械的な力または加速を電磁エネルギーに変換する。トランスデューサは物体に機械的に結合され、その動作を測定する。この動作が振動性のものである場合は、通常、所定の周波数範囲のみが対象となる。このような場合、トランスデューサは不要な周波数を濾波して除く何らかの手段を供給しなければならない。この濾波を達成するために、トランスデューサは通常、(a)広い周波数範囲を有する出力信号を提供するセンサ素子と、(b)センサ素子の出力に電気的に接続され、所定の対象周波数帯域以外の不要な周波数を除去する増幅および濾波回路とで構成されている。
【0002】
従来のトランスデューサは、低周波数振動または高周波数振動の何れかを検出するように設計されている。低周波数振動および高周波数振動の両方を表す信号を取得するためには、2つのトランスデューサを使用しなければならない。
【0003】
【発明の要旨】
本発明の原理は、単一のセンサと、別々の出力を供給する2つの濾波回路を有する電気回路とによって作動できるトランスデューサを教示する。少なくとも2つの濾波機能を結合して、単一のセンサ出力を濾波機能それぞれに対応した電気信号に変換できる単一の回路にすることにより、トランスデューサはサイズ、重量およびコストが低減され、複数の周波数信号の測定を必要とする測定システムの性能を向上させる。例えば、低周波数では、センサ信号の線形領域が力または動作の情報を提供し、高周波数では、センサ信号の固有共振周波数が診断信号または他の状態インジケータとして使用されることが可能である。
【0004】
本発明の一実施形態は、センサからの高インピーダンスかつ広い周波数範囲の信号を2つの低インピーダンス出力に変換する革新的な電子回路を使用することによって、上述のトランスデューサを実現する。典型的には、一方の出力が高周波数信号を提供し、他方の出力が低周波数信号を提供する。本回路はさらに、信号を増幅および/またはオフセットしてもよい。オフセットされた出力信号は、本発明を使用するシステムが必要とする受け渡し範囲(delivery range)内に信号を配置し、かつ電子部品に対する適正なバイアスを確立して本発明の一実施形態の範囲内でのこれら部品の作動におけるクリッピングや飽和を回避するために使用されることが可能である。
【0005】
低周波数の出力信号は、例えば、センサの周波数応答帯域の線形部分に対応する周波数成分を含むことができ、この線形部分は力または動作の情報を提供する。高周波数の出力信号は、例えば、センサの固有共振周波数に対応する周波数成分を含むことができ、この固有共振周波数は、振動が監視されているシステムの動力学に基づいて、高感度を得るためにある選択周波数で設計されてもよい。高周波数信号は、診断信号または他の状態インジケータとして使用することができる。
【0006】
センサは、例えば、検出された力または機械的振動を広い周波数範囲を有する対応の高インピーダンスの電気信号に変換する圧電(PE)センサとすることができ、変換の相関関係は本質的に低ヒステリシスで線形である。
【0007】
一実施形態では、本電子回路は、低周波数のフィルタ増幅器モジュールと高周波数のフィルタ増幅器モジュールとを有する。両フィルタ増幅器モジュールは共に、高い入力インピーダンス、低い出力インピーダンスおよび負帰還を有する。負帰還は、個々の単一キャパシタによって提供されてもよい。フィルタ増幅回路の出力はDCバイアスされてもよく、この場合、回路部品をクリッピングまたは飽和させることなく十分な信号振幅を提供できる。
【0008】
本電子回路は、さらに、両フィルタ増幅器モジュールを互いに分離するバッファを有してもよい。一実施形態では、バッファは、回路への入力と高周波数フィルタ増幅器モジュールへの入力との間に電気的に配置される。別の実施形態では、バッファは、回路への入力と低周波数フィルタ増幅器モジュールへの入力との間に電気的に配置される。
【0009】
バッファは、ソース・フォロワ構造に構成された演算増幅器形態で実現できる。バッファは、一方の電力線が低周波数フィルタ増幅器モジュールの出力から電力を受け取り、他方の電力線が電力リターンすなわち地面に接続された、単極性でもよい。この構成には、低周波数および高周波数フィルタ増幅回路ならびにバッファに別々の電源を使用する必要がないという利点がある。
【0010】
低周波数フィルタ増幅器モジュールの入力がセンサに直接電気的に接続されているため、キャパシタまたは等価回路をバッファの出力と高周波数フィルタ増幅器モジュールの入力との間に電気的に配置して、両フィルタ増幅器モジュールの入力においてほぼ同一の入力インピーダンスを確保することができる。
【0011】
別の実施形態では、バッファは、センサと低周波数増幅器モジュールとの間に電気的に配置される。この実施形態では、センサ型の出力インピーダンスを提供するキャパシタまたは等価回路が、バッファの出力と低周波数フィルタ増幅器モジュールの入力との間に電気的に配置されることができる。
【0012】
本回路は、回路部品および特性の雑音および温度への依存性を除去することを目的とした様々な手段を有してもよい。
【0013】
本発明の前述およびその他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に示す以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、異なる図面を通して使用されている参照符号は、同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【0014】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【0015】
図1は、本発明の原理によるトランスデューサ13の一実施形態のブロック図である。トランスデューサ13は、センサ1と、電子回路12とを備える。電子回路12は、低周波数チャンネル回路2と高周波数チャンネル回路4とを有する。
【0016】
センサ1からの高インピーダンス信号は、低周波数チャンネル回路2と高周波数チャンネル回路4とによって処理される。低周波数チャンネル回路2は、第1出力端子3上に、DCバイアスされた低インピーダンスの低周波数信号を生成し、高周波数チャンネル回路4は、第2出力端子5上にDCバイアスされた低インピーダンスの高周波数信号を生成する。
【0017】
低周波数チャンネル回路2は、低周波数フィルタ増幅器6と負帰還経路7とを有する。本実施形態では、負帰還経路7は、単一のキャパシタより成る。低周波数フィルタ増幅器6は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【0018】
高周波数チャンネル回路4は、高周波数フィルタ増幅器8と負帰還経路9とを有する。本実施形態において、負帰還経路9も単一のキャパシタより成る。高周波数フィルタ増幅器8は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【0019】
電子回路12はまた、バッファ10を有し、このバッファ10はここではソース・フォロワとして構成されている。バッファ10は、高インピーダンス(即ち、分離)を提供し、かつ高周波数フィルタ増幅器8と低周波数フィルタ増幅器6との間のクロス結合を除去する。一実施形態では、バッファ10の電圧源はDCバイアスされた低周波数出力3によって提供されるため、ソース・フォロワ10はその固有の電源を必要としない。ソース・フォロワ10は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【0020】
高周波数チャンネル回路4は、キャパシタ11を介してバッファ10の出力を受け取る。キャパシタ11は、センサ1に直接接続されている低周波数フィルタ増幅器6の入力における入力インピーダンスと、高周波数フィルタ増幅器8の入力における入力インピーダンスとがほぼ同一となることを確保する。キャパシタ11はまた、低周波数チャンネル回路2の低周波数出力3の出力をバッファ10用の電圧供給として使用することに一部起因して発生するバッファ10の出力における低周波数の変動を拒絶する。
【0021】
トランスデューサ13の1つの利用法は動作検出アプリケーションにおけるものであり、センサ1が、線形的、低ヒステリシスかつ高感度で動作を検出する圧電(PE)センサである。このようなアプリケーションでは、センサ1の高周波数出力信号はセンサ1の機械的な固有共振周波数を表す信号を含み、一方で低周波数出力信号はセンサ1の線形的な低周波数動作に対応する周波数範囲内の信号を表す信号の周波数範囲を含む。従って、単一のセンサおよび単一の回路が、低および高周波数信号を同時に含む動作情報を提供するために、本発明のトランスデューサ13に設けられる。現時点では、このような情報は、先行技術によるトランスデューサ・システムのそれぞれ分離した2つのセンサおよび2つの回路によってのみ供給される。従って、動作検出システムのサイズ、重量およびコストは低減され、性能は向上する。
【0022】
図2は、トランスデューサ13の一実施形態の電気的略図である。回路の細部を説明する前に、図2の略図と図1のブロック図との対応について説明する。
【0023】
トランスデューサ13は、センサ1と電子回路12とを有する。電子回路12は、低周波数チャンネル回路2と、高周波数チャンネル回路4と、バッファ10とを有する。
【0024】
低周波数チャンネル回路2は、低周波数チャンネル入力端子T1と低周波数チャンネル出力端子T2とを有する。同様に、高周波数チャンネル回路4は、高周波数チャンネル入力端子T3と高周波数チャンネル出力端子T4とを有する。
【0025】
バッファ10は、演算増幅器U1を使用して単位利得ソース・フォロワとして実現される。バッファ10は、低周波数チャンネル出力端子T2および電力リターン(即ち、接地)0から電力を受け取る。
【0026】
図2の略図は、当業者に対してトランスデューサ13の特性を十分に明らかにするものであると確信し、特に、トランスデューサの詳細および特徴を何点か指摘しておく。
【0027】
nチャンネルJFETトランジスタJ6が、そのゲートで入力信号を増幅し、出力雑音を低減し、低周波数フィルタ増幅器6に対する高い入力インピーダンスを確保する。nチャンネルJFETトランジスタJ8が、高周波数フィルタ増幅器8に対して同様の機能を提供する。
【0028】
p−n−pトランジスタQ8が、抵抗R11、R14、R15およびR16ならびにキャパシタC5およびC6と共に、適正なバイアスを提供し、低周波数フィルタ増幅器6におけるJFETトランジスタJ6のゲート上の雑音を低減する。
【0029】
p−n−pトランジスタQ1が、抵抗R2、R6、R7およびR8ならびにキャパシタC11およびC14と共に、適正なバイアスを提供し、高周波数フィルタ増幅器8におけるJFETトランジスタJ8のゲート上の雑音を低減する。
【0030】
p−n−pダーリントン・トランジスタQ7が、低周波数フィルタ増幅器6の低い出力インピーダンスを確保し、エミッタおよびコレクタが低周波数フィルタ増幅器6の出力線に接続される。nチャンネルJFETトランジスタJ5が、ダーリントン・トランジスタQ7に対する適正なレジーム(適正な温度および周波数領域)を確保する。p−n−pダーリントン・トランジスタQ3およびnチャンネルJFETトランジスタJ7が、高周波数フィルタ増幅器8に対して同様の機能を提供する。
【0031】
低周波数フィルタ増幅器6において、接地0とJFETトランジスタJ6のチャンネルとの間にダイオードとして直列に接続されたnチャンネルJFETトランジスタJ3およびJ4がJFETトランジスタJ6に電圧オフセットを提供し、さらにJFETトランジスタJ6の作動の温度依存性を低減する。nチャンネルJFETトランジスタJ1およびJ2が、高周波数フィルタ増幅器8におけるJFETトランジスタJ8に対して同一の機能を提供する。
【0032】
低周波数フィルタ増幅器6では、キャパシタC1、C2およびC7は、抵抗R12およびR13と共に、約1.5Hzから8kHzの周波数範囲(−3dB)を有する二極形の低域通過フィルタとして機能する。キャパシタC10は、負帰還7として機能する。抵抗R11はキャパシタC10と共に、低周波数フィルタ増幅器6に対して、約1.5Hzの周波数カットオフ(−3dB)を有する一極形の高域通過フィルタとして機能する。抵抗R3およびR4はキャパシタC9と共に、低周波数フィルタ増幅器6に対して、約460Hzの周波数カットオフ(−3dB)を有する一極形の低域通過前段フィルタとして機能する。
【0033】
高周波数フィルタ増幅器8では、キャパシタC16およびC12は、抵抗R22およびR5と共に、約19kHzから52kHzの周波数範囲(−3dB)を有する二極形の高域通過フィルタとして機能する。キャパシタC16は負帰還9としても機能する。抵抗R1はキャパシタC4と共に、高周波数フィルタ増幅器8に対して、約80kHzの周波数カットオフ(−3dB)を有する一極形の低域通過前段フィルタとして機能する。
【0034】
図2の実施形態において、トランスデューサ13内の濾波信号に含まれる成分の値および構成は、電気工学および類似の技術分野では公知でありかつ、例えばAdel S.Sedra、Kenneth C.Smith共著「超小型電子回路」(第2版、1987年)787〜89および792〜93ページに説明されたフィルタ設計の原理に従って設計される。代わりに、アクティブフィルタの設計原理を、低周波数フィルタ増幅器6および高周波数フィルタ増幅器8の両方、ならびに入力信号の前段濾波に使用してもよい。アクティブまたはパッシブなバイクワド・フィルタ設計を使用することも可能である。
【0035】
図2のキャパシタC4は、図1のキャパシタ11に対応する。キャパシタC4の機能は、センサSによって低周波数フィルタ増幅器6の入力に提供される入力特性に類似する入力特性を、高周波数フィルタ増幅器8の入力において確立することである。これを達成するために、キャパシタC4の特性は、図2でC3として示すセンサのキャパシタンスの特性に類似する。
【0036】
キャパシタC15は、高周波数フィルタ増幅器8の入力と出力との間に追加的なDC減結合を提供する。
【0037】
演算増幅器U1はソース・フォロワとして構成され、バッファ10として機能する。抵抗R17、R10およびR21は適正な入力オフセットを確立し、キャパシタC8はバッファ10の入力に対してDC減結合を提供する。演算増幅器U1への電力は、低周波数フィルタ増幅器6の出力によって供給される。
【0038】
低周波数フィルタ増幅器6は2線出力を有し、よって電圧源V2(24V DC)および電流源I1(4mA)の両方を有する。電圧源V1および電流源I2は、高周波数フィルタ増幅器8に対して同一の機能を提供する。
【0039】
図2に示すトランスデューサにおいて、各出力T2、T4が同一のセンサ利得2mV/pCおよび同一の最大出力振幅5Vを提供する。50pC/gセンサに対して、各出力が同一のセンサ感度100mV/gを提供する。
【0040】
図3は、図2に示すトランスデューサ13の実施形態の場合の低周波数チャンネル回路2および高周波数チャンネル回路4の応答値のボード・プロットである。ボード・プロットはトランスデューサ13の低および高周波数出力を表し、回路12へのセンサ入力は1ボルトの振幅を有する掃引された正弦波である。ボード・プロットは、標準的な電子装置設計およびシミュレーション・ソフト・プログラムであるORCAD(登録商標)を使用して図2の回路をシミュレートすることにより取得された。横の対数軸の単位は周波数であり、縦の線形軸は出力の大きさをボルトで示している。
【0041】
図2が略示する回路を具現化する回路がブレッドボード上に実現され、その周波数応答が室温(摂氏25度)および高温(摂氏120度)で試験された。この試験は、事実上、コンピュータ・シミュレーションで得たものと同一の結果をもたらした。図4、5、6および7はブレッドボード上に組まれた回路の正弦掃引プロットであり、比較のために図3のボード・プロットと同一の軸を有する。
【0042】
図4は、摂氏25度における図2のトランスデューサの実装物の高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。27.38kHzの基準周波数に対して、−3dBのポイントは、図2が示す前述の二極形高域通過フィルタ構成で求められているように18.7kHzおよび52.8kHzと測定されている。
【0043】
図5は、摂氏120度における図2のトランスデューサの実装物の高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【0044】
図6は、摂氏25度における図2のトランスデューサの実装物の低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。100Hzの基準周波数に対して、−3dBのポイントは、図2が示す前述の二極形低域通過フィルタ構成で求められているように1.3Hzおよび9.07kHzと測定されている。
【0045】
図7は、摂氏120度における図2のトランスデューサの実装物の低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【0046】
図2に示すトランスデューサを実装するブレッドボード回路のシミュレーションおよび測定された応答の結果は、摂氏25〜120度の温度範囲で利得の最高偏差が約6%、バイアス偏差が約2ボルトDCであることを示している。
【0047】
以下の表は、図2のトランスデューサの実装に対しておおまかな性能仕様を示す。但し、これらは例示目的で提供された特定の実施形態における例示的仕様であり、本発明の原理を限定するものではない。
【0048】
【表1】
【0049】
図8および9のボード・プロットにおいて、横の対数軸の単位は周波数、縦の線形軸の単位は電圧スペクトル密度である。測定値は、センサが本質的に1050pFキャパシタとして作動し、回路の入力が地面0に接続された状態、即ち入力が接地された状態で摂氏25度において取得された。
【0050】
図8は、図2のトランスデューサ13の実装物の低周波数チャンネル回路2の出力において、摂氏25度で測定された接地入力雑音応答スペクトルのボード・プロットである。
【0051】
図9は、図2のトランスデューサ13の実装物の高周波数チャンネル回路4の出力において、摂氏25度で測定された接地入力雑音応答スペクトルのボード・プロットである。
【0052】
図8および9のプロットに表された雑音測定値は、一般的なトランスデューサに指定されている値と事実上同一である雑音スペクトルの値を示している。従って、この雑音測定値は、低周波数チャンネル回路2と高周波数チャンネル回路4との間にクロス結合がほとんど存在しないことを確定している。
【0053】
以上、好適な実施形態を参照して本発明を特定的に示しかつ説明してきたが、当業者には、本発明の形態および詳細事項を特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく様々に変更し得ることが理解されるであろう。
【0054】
トランスデューサ13は、例えば表面マウント技術またはチップアンドワイヤ技術(チップを基板にワイヤで接続する技術)を使用して実装することができる。本明細書で説明したアナログ回路は、デジタル回路または信号処理技術で実装することができる。フィルタをアナログ形式からデジタル形式に変換する典型的技術を使用すれば、本明細書で説明したアナログ回路の濾波機能をデジタル形式で実現できることは理解される。デジタル処理を実現するために、処理された信号をサンプリングしかつ出力するA/D変換器およびD/A変換器をそれぞれ使用することができる。さらに、バッファ10およびナイキスト・フィルタのような補助アナログ回路をデジタル式の実施形態において使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理による、低および高周波数出力を提供するトランスデューサのブロック図である。
【図2】図1のトランスデューサの電気略図である。
【図3】図2のトランスデューサの低および高周波数出力に関して計算された周波数応答のボード・プロットである。
【図4】摂氏25度における図2のトランスデューサの高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図5】摂氏120度における図2のトランスデューサの高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図6】摂氏25度における図2のトランスデューサの低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図7】摂氏120度における図2のトランスデューサの低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図8】摂氏25度における図2のトランスデューサの低周波数出力の測定された雑音スペクトルのボード・プロットである。
【図9】摂氏25度における図2のトランスデューサの高周波数出力の測定された雑音スペクトルのボード・プロットである。
【符号の説明】
1…センサ、6…低域通過フィルタ、8…高域通過フィルタ、10…バッファ、12…電子回路、13…システム、U1…演算増幅器。
【発明の背景】
トランスデューサは、物理量を測定するために、エネルギーをある形態から別の形態に変換するのに使用される装置である。典型的なトランスデューサは、機械的な力または加速を電磁エネルギーに変換する。トランスデューサは物体に機械的に結合され、その動作を測定する。この動作が振動性のものである場合は、通常、所定の周波数範囲のみが対象となる。このような場合、トランスデューサは不要な周波数を濾波して除く何らかの手段を供給しなければならない。この濾波を達成するために、トランスデューサは通常、(a)広い周波数範囲を有する出力信号を提供するセンサ素子と、(b)センサ素子の出力に電気的に接続され、所定の対象周波数帯域以外の不要な周波数を除去する増幅および濾波回路とで構成されている。
【0002】
従来のトランスデューサは、低周波数振動または高周波数振動の何れかを検出するように設計されている。低周波数振動および高周波数振動の両方を表す信号を取得するためには、2つのトランスデューサを使用しなければならない。
【0003】
【発明の要旨】
本発明の原理は、単一のセンサと、別々の出力を供給する2つの濾波回路を有する電気回路とによって作動できるトランスデューサを教示する。少なくとも2つの濾波機能を結合して、単一のセンサ出力を濾波機能それぞれに対応した電気信号に変換できる単一の回路にすることにより、トランスデューサはサイズ、重量およびコストが低減され、複数の周波数信号の測定を必要とする測定システムの性能を向上させる。例えば、低周波数では、センサ信号の線形領域が力または動作の情報を提供し、高周波数では、センサ信号の固有共振周波数が診断信号または他の状態インジケータとして使用されることが可能である。
【0004】
本発明の一実施形態は、センサからの高インピーダンスかつ広い周波数範囲の信号を2つの低インピーダンス出力に変換する革新的な電子回路を使用することによって、上述のトランスデューサを実現する。典型的には、一方の出力が高周波数信号を提供し、他方の出力が低周波数信号を提供する。本回路はさらに、信号を増幅および/またはオフセットしてもよい。オフセットされた出力信号は、本発明を使用するシステムが必要とする受け渡し範囲(delivery range)内に信号を配置し、かつ電子部品に対する適正なバイアスを確立して本発明の一実施形態の範囲内でのこれら部品の作動におけるクリッピングや飽和を回避するために使用されることが可能である。
【0005】
低周波数の出力信号は、例えば、センサの周波数応答帯域の線形部分に対応する周波数成分を含むことができ、この線形部分は力または動作の情報を提供する。高周波数の出力信号は、例えば、センサの固有共振周波数に対応する周波数成分を含むことができ、この固有共振周波数は、振動が監視されているシステムの動力学に基づいて、高感度を得るためにある選択周波数で設計されてもよい。高周波数信号は、診断信号または他の状態インジケータとして使用することができる。
【0006】
センサは、例えば、検出された力または機械的振動を広い周波数範囲を有する対応の高インピーダンスの電気信号に変換する圧電(PE)センサとすることができ、変換の相関関係は本質的に低ヒステリシスで線形である。
【0007】
一実施形態では、本電子回路は、低周波数のフィルタ増幅器モジュールと高周波数のフィルタ増幅器モジュールとを有する。両フィルタ増幅器モジュールは共に、高い入力インピーダンス、低い出力インピーダンスおよび負帰還を有する。負帰還は、個々の単一キャパシタによって提供されてもよい。フィルタ増幅回路の出力はDCバイアスされてもよく、この場合、回路部品をクリッピングまたは飽和させることなく十分な信号振幅を提供できる。
【0008】
本電子回路は、さらに、両フィルタ増幅器モジュールを互いに分離するバッファを有してもよい。一実施形態では、バッファは、回路への入力と高周波数フィルタ増幅器モジュールへの入力との間に電気的に配置される。別の実施形態では、バッファは、回路への入力と低周波数フィルタ増幅器モジュールへの入力との間に電気的に配置される。
【0009】
バッファは、ソース・フォロワ構造に構成された演算増幅器形態で実現できる。バッファは、一方の電力線が低周波数フィルタ増幅器モジュールの出力から電力を受け取り、他方の電力線が電力リターンすなわち地面に接続された、単極性でもよい。この構成には、低周波数および高周波数フィルタ増幅回路ならびにバッファに別々の電源を使用する必要がないという利点がある。
【0010】
低周波数フィルタ増幅器モジュールの入力がセンサに直接電気的に接続されているため、キャパシタまたは等価回路をバッファの出力と高周波数フィルタ増幅器モジュールの入力との間に電気的に配置して、両フィルタ増幅器モジュールの入力においてほぼ同一の入力インピーダンスを確保することができる。
【0011】
別の実施形態では、バッファは、センサと低周波数増幅器モジュールとの間に電気的に配置される。この実施形態では、センサ型の出力インピーダンスを提供するキャパシタまたは等価回路が、バッファの出力と低周波数フィルタ増幅器モジュールの入力との間に電気的に配置されることができる。
【0012】
本回路は、回路部品および特性の雑音および温度への依存性を除去することを目的とした様々な手段を有してもよい。
【0013】
本発明の前述およびその他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に示す以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、異なる図面を通して使用されている参照符号は、同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【0014】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【0015】
図1は、本発明の原理によるトランスデューサ13の一実施形態のブロック図である。トランスデューサ13は、センサ1と、電子回路12とを備える。電子回路12は、低周波数チャンネル回路2と高周波数チャンネル回路4とを有する。
【0016】
センサ1からの高インピーダンス信号は、低周波数チャンネル回路2と高周波数チャンネル回路4とによって処理される。低周波数チャンネル回路2は、第1出力端子3上に、DCバイアスされた低インピーダンスの低周波数信号を生成し、高周波数チャンネル回路4は、第2出力端子5上にDCバイアスされた低インピーダンスの高周波数信号を生成する。
【0017】
低周波数チャンネル回路2は、低周波数フィルタ増幅器6と負帰還経路7とを有する。本実施形態では、負帰還経路7は、単一のキャパシタより成る。低周波数フィルタ増幅器6は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【0018】
高周波数チャンネル回路4は、高周波数フィルタ増幅器8と負帰還経路9とを有する。本実施形態において、負帰還経路9も単一のキャパシタより成る。高周波数フィルタ増幅器8は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【0019】
電子回路12はまた、バッファ10を有し、このバッファ10はここではソース・フォロワとして構成されている。バッファ10は、高インピーダンス(即ち、分離)を提供し、かつ高周波数フィルタ増幅器8と低周波数フィルタ増幅器6との間のクロス結合を除去する。一実施形態では、バッファ10の電圧源はDCバイアスされた低周波数出力3によって提供されるため、ソース・フォロワ10はその固有の電源を必要としない。ソース・フォロワ10は、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスとを有する。
【0020】
高周波数チャンネル回路4は、キャパシタ11を介してバッファ10の出力を受け取る。キャパシタ11は、センサ1に直接接続されている低周波数フィルタ増幅器6の入力における入力インピーダンスと、高周波数フィルタ増幅器8の入力における入力インピーダンスとがほぼ同一となることを確保する。キャパシタ11はまた、低周波数チャンネル回路2の低周波数出力3の出力をバッファ10用の電圧供給として使用することに一部起因して発生するバッファ10の出力における低周波数の変動を拒絶する。
【0021】
トランスデューサ13の1つの利用法は動作検出アプリケーションにおけるものであり、センサ1が、線形的、低ヒステリシスかつ高感度で動作を検出する圧電(PE)センサである。このようなアプリケーションでは、センサ1の高周波数出力信号はセンサ1の機械的な固有共振周波数を表す信号を含み、一方で低周波数出力信号はセンサ1の線形的な低周波数動作に対応する周波数範囲内の信号を表す信号の周波数範囲を含む。従って、単一のセンサおよび単一の回路が、低および高周波数信号を同時に含む動作情報を提供するために、本発明のトランスデューサ13に設けられる。現時点では、このような情報は、先行技術によるトランスデューサ・システムのそれぞれ分離した2つのセンサおよび2つの回路によってのみ供給される。従って、動作検出システムのサイズ、重量およびコストは低減され、性能は向上する。
【0022】
図2は、トランスデューサ13の一実施形態の電気的略図である。回路の細部を説明する前に、図2の略図と図1のブロック図との対応について説明する。
【0023】
トランスデューサ13は、センサ1と電子回路12とを有する。電子回路12は、低周波数チャンネル回路2と、高周波数チャンネル回路4と、バッファ10とを有する。
【0024】
低周波数チャンネル回路2は、低周波数チャンネル入力端子T1と低周波数チャンネル出力端子T2とを有する。同様に、高周波数チャンネル回路4は、高周波数チャンネル入力端子T3と高周波数チャンネル出力端子T4とを有する。
【0025】
バッファ10は、演算増幅器U1を使用して単位利得ソース・フォロワとして実現される。バッファ10は、低周波数チャンネル出力端子T2および電力リターン(即ち、接地)0から電力を受け取る。
【0026】
図2の略図は、当業者に対してトランスデューサ13の特性を十分に明らかにするものであると確信し、特に、トランスデューサの詳細および特徴を何点か指摘しておく。
【0027】
nチャンネルJFETトランジスタJ6が、そのゲートで入力信号を増幅し、出力雑音を低減し、低周波数フィルタ増幅器6に対する高い入力インピーダンスを確保する。nチャンネルJFETトランジスタJ8が、高周波数フィルタ増幅器8に対して同様の機能を提供する。
【0028】
p−n−pトランジスタQ8が、抵抗R11、R14、R15およびR16ならびにキャパシタC5およびC6と共に、適正なバイアスを提供し、低周波数フィルタ増幅器6におけるJFETトランジスタJ6のゲート上の雑音を低減する。
【0029】
p−n−pトランジスタQ1が、抵抗R2、R6、R7およびR8ならびにキャパシタC11およびC14と共に、適正なバイアスを提供し、高周波数フィルタ増幅器8におけるJFETトランジスタJ8のゲート上の雑音を低減する。
【0030】
p−n−pダーリントン・トランジスタQ7が、低周波数フィルタ増幅器6の低い出力インピーダンスを確保し、エミッタおよびコレクタが低周波数フィルタ増幅器6の出力線に接続される。nチャンネルJFETトランジスタJ5が、ダーリントン・トランジスタQ7に対する適正なレジーム(適正な温度および周波数領域)を確保する。p−n−pダーリントン・トランジスタQ3およびnチャンネルJFETトランジスタJ7が、高周波数フィルタ増幅器8に対して同様の機能を提供する。
【0031】
低周波数フィルタ増幅器6において、接地0とJFETトランジスタJ6のチャンネルとの間にダイオードとして直列に接続されたnチャンネルJFETトランジスタJ3およびJ4がJFETトランジスタJ6に電圧オフセットを提供し、さらにJFETトランジスタJ6の作動の温度依存性を低減する。nチャンネルJFETトランジスタJ1およびJ2が、高周波数フィルタ増幅器8におけるJFETトランジスタJ8に対して同一の機能を提供する。
【0032】
低周波数フィルタ増幅器6では、キャパシタC1、C2およびC7は、抵抗R12およびR13と共に、約1.5Hzから8kHzの周波数範囲(−3dB)を有する二極形の低域通過フィルタとして機能する。キャパシタC10は、負帰還7として機能する。抵抗R11はキャパシタC10と共に、低周波数フィルタ増幅器6に対して、約1.5Hzの周波数カットオフ(−3dB)を有する一極形の高域通過フィルタとして機能する。抵抗R3およびR4はキャパシタC9と共に、低周波数フィルタ増幅器6に対して、約460Hzの周波数カットオフ(−3dB)を有する一極形の低域通過前段フィルタとして機能する。
【0033】
高周波数フィルタ増幅器8では、キャパシタC16およびC12は、抵抗R22およびR5と共に、約19kHzから52kHzの周波数範囲(−3dB)を有する二極形の高域通過フィルタとして機能する。キャパシタC16は負帰還9としても機能する。抵抗R1はキャパシタC4と共に、高周波数フィルタ増幅器8に対して、約80kHzの周波数カットオフ(−3dB)を有する一極形の低域通過前段フィルタとして機能する。
【0034】
図2の実施形態において、トランスデューサ13内の濾波信号に含まれる成分の値および構成は、電気工学および類似の技術分野では公知でありかつ、例えばAdel S.Sedra、Kenneth C.Smith共著「超小型電子回路」(第2版、1987年)787〜89および792〜93ページに説明されたフィルタ設計の原理に従って設計される。代わりに、アクティブフィルタの設計原理を、低周波数フィルタ増幅器6および高周波数フィルタ増幅器8の両方、ならびに入力信号の前段濾波に使用してもよい。アクティブまたはパッシブなバイクワド・フィルタ設計を使用することも可能である。
【0035】
図2のキャパシタC4は、図1のキャパシタ11に対応する。キャパシタC4の機能は、センサSによって低周波数フィルタ増幅器6の入力に提供される入力特性に類似する入力特性を、高周波数フィルタ増幅器8の入力において確立することである。これを達成するために、キャパシタC4の特性は、図2でC3として示すセンサのキャパシタンスの特性に類似する。
【0036】
キャパシタC15は、高周波数フィルタ増幅器8の入力と出力との間に追加的なDC減結合を提供する。
【0037】
演算増幅器U1はソース・フォロワとして構成され、バッファ10として機能する。抵抗R17、R10およびR21は適正な入力オフセットを確立し、キャパシタC8はバッファ10の入力に対してDC減結合を提供する。演算増幅器U1への電力は、低周波数フィルタ増幅器6の出力によって供給される。
【0038】
低周波数フィルタ増幅器6は2線出力を有し、よって電圧源V2(24V DC)および電流源I1(4mA)の両方を有する。電圧源V1および電流源I2は、高周波数フィルタ増幅器8に対して同一の機能を提供する。
【0039】
図2に示すトランスデューサにおいて、各出力T2、T4が同一のセンサ利得2mV/pCおよび同一の最大出力振幅5Vを提供する。50pC/gセンサに対して、各出力が同一のセンサ感度100mV/gを提供する。
【0040】
図3は、図2に示すトランスデューサ13の実施形態の場合の低周波数チャンネル回路2および高周波数チャンネル回路4の応答値のボード・プロットである。ボード・プロットはトランスデューサ13の低および高周波数出力を表し、回路12へのセンサ入力は1ボルトの振幅を有する掃引された正弦波である。ボード・プロットは、標準的な電子装置設計およびシミュレーション・ソフト・プログラムであるORCAD(登録商標)を使用して図2の回路をシミュレートすることにより取得された。横の対数軸の単位は周波数であり、縦の線形軸は出力の大きさをボルトで示している。
【0041】
図2が略示する回路を具現化する回路がブレッドボード上に実現され、その周波数応答が室温(摂氏25度)および高温(摂氏120度)で試験された。この試験は、事実上、コンピュータ・シミュレーションで得たものと同一の結果をもたらした。図4、5、6および7はブレッドボード上に組まれた回路の正弦掃引プロットであり、比較のために図3のボード・プロットと同一の軸を有する。
【0042】
図4は、摂氏25度における図2のトランスデューサの実装物の高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。27.38kHzの基準周波数に対して、−3dBのポイントは、図2が示す前述の二極形高域通過フィルタ構成で求められているように18.7kHzおよび52.8kHzと測定されている。
【0043】
図5は、摂氏120度における図2のトランスデューサの実装物の高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【0044】
図6は、摂氏25度における図2のトランスデューサの実装物の低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。100Hzの基準周波数に対して、−3dBのポイントは、図2が示す前述の二極形低域通過フィルタ構成で求められているように1.3Hzおよび9.07kHzと測定されている。
【0045】
図7は、摂氏120度における図2のトランスデューサの実装物の低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【0046】
図2に示すトランスデューサを実装するブレッドボード回路のシミュレーションおよび測定された応答の結果は、摂氏25〜120度の温度範囲で利得の最高偏差が約6%、バイアス偏差が約2ボルトDCであることを示している。
【0047】
以下の表は、図2のトランスデューサの実装に対しておおまかな性能仕様を示す。但し、これらは例示目的で提供された特定の実施形態における例示的仕様であり、本発明の原理を限定するものではない。
【0048】
【表1】
【0049】
図8および9のボード・プロットにおいて、横の対数軸の単位は周波数、縦の線形軸の単位は電圧スペクトル密度である。測定値は、センサが本質的に1050pFキャパシタとして作動し、回路の入力が地面0に接続された状態、即ち入力が接地された状態で摂氏25度において取得された。
【0050】
図8は、図2のトランスデューサ13の実装物の低周波数チャンネル回路2の出力において、摂氏25度で測定された接地入力雑音応答スペクトルのボード・プロットである。
【0051】
図9は、図2のトランスデューサ13の実装物の高周波数チャンネル回路4の出力において、摂氏25度で測定された接地入力雑音応答スペクトルのボード・プロットである。
【0052】
図8および9のプロットに表された雑音測定値は、一般的なトランスデューサに指定されている値と事実上同一である雑音スペクトルの値を示している。従って、この雑音測定値は、低周波数チャンネル回路2と高周波数チャンネル回路4との間にクロス結合がほとんど存在しないことを確定している。
【0053】
以上、好適な実施形態を参照して本発明を特定的に示しかつ説明してきたが、当業者には、本発明の形態および詳細事項を特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく様々に変更し得ることが理解されるであろう。
【0054】
トランスデューサ13は、例えば表面マウント技術またはチップアンドワイヤ技術(チップを基板にワイヤで接続する技術)を使用して実装することができる。本明細書で説明したアナログ回路は、デジタル回路または信号処理技術で実装することができる。フィルタをアナログ形式からデジタル形式に変換する典型的技術を使用すれば、本明細書で説明したアナログ回路の濾波機能をデジタル形式で実現できることは理解される。デジタル処理を実現するために、処理された信号をサンプリングしかつ出力するA/D変換器およびD/A変換器をそれぞれ使用することができる。さらに、バッファ10およびナイキスト・フィルタのような補助アナログ回路をデジタル式の実施形態において使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理による、低および高周波数出力を提供するトランスデューサのブロック図である。
【図2】図1のトランスデューサの電気略図である。
【図3】図2のトランスデューサの低および高周波数出力に関して計算された周波数応答のボード・プロットである。
【図4】摂氏25度における図2のトランスデューサの高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図5】摂氏120度における図2のトランスデューサの高周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図6】摂氏25度における図2のトランスデューサの低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図7】摂氏120度における図2のトランスデューサの低周波数出力の測定された周波数応答のボード・プロットである。
【図8】摂氏25度における図2のトランスデューサの低周波数出力の測定された雑音スペクトルのボード・プロットである。
【図9】摂氏25度における図2のトランスデューサの高周波数出力の測定された雑音スペクトルのボード・プロットである。
【符号の説明】
1…センサ、6…低域通過フィルタ、8…高域通過フィルタ、10…バッファ、12…電子回路、13…システム、U1…演算増幅器。
Claims (57)
- 検出された力または機械的動作を対応する電気信号に変換するシステムであって、
検出された力または機械的動作の関数として電気信号を提供するセンサと、
少なくとも2つのフィルタであって、(i)電気信号を入力として受け取るようにセンサに電気的に結合され、かつ(ii)受け取った電気信号を濾波して対応する電気信号をそれぞれ出力として提供する、少なくとも2つのフィルタを有する電子回路とを備えたシステム。 - 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタは、低域通過フィルタおよび高域通過フィルタを有するシステム。
- 請求項2において、前記低域通過フィルタはセンサの線形領域における周波数を通過させ、前記高域通過フィルタはセンサの共振周波数を通過させるシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタは前記電気信号を濾波しかつ増幅するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタは前記電気信号を濾波し、増幅しかつオフセットするシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタへの入力は互いに電気的に分離されるシステム。
- 請求項1において、前記電子回路は、さらに、前記少なくとも2つのフィルタの入力を互いに分離させるバッファを有するシステム。
- 請求項7において、前記バッファは、前記センサと前記フィルタの少なくとも1つとの間に電気的に配置されるシステム。
- 請求項8において、さらに、前記センサに直接結合されていないフィルタにセンサの出力電気特性を提供する少なくとも1つのインピーダンス素子を有するシステム。
- 請求項7において、前記バッファはソース・フォロワ構造に構成されるシステム。
- 請求項7において、前記バッファは演算増幅器を設けるシステム。
- 請求項7において、前記フィルタの1つが低域通過フィルタであり、この低域通過フィルタの出力によって電力が前記バッファに供給されるシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタが高い入力インピーダンスを有するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタがJFETトランジスタを使用して電気信号を増幅するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタが少なくとも1つのJFETトランジスタを使用してフィルタ特性の温度依存性を減少させるシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタが低い出力インピーダンスを有するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタが少なくとも1つのトランジスタを使用して低い出力インピーダンスを提供するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタがトランジスタのダーリントン組み合わせを使用して低い出力インピーダンスを提供するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタがダーリントン・トランジスタを使用して低い出力インピーダンスを提供するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタがパッシブな低域通過フィルタ回路を有するシステム。
- 請求項1において、前記少なくとも2つのフィルタがパッシブな高域通過フィルタ回路を有するシステム。
- 請求項1において、前記センサが圧電センサであるシステム。
- 検出された力または機械的動作を対応する電気信号に変換する方法であって、
検出された力または機械的動作の関数として電気信号を提供する電気信号提供工程と、
この電気信号を少なくとも第1の周波数帯域と第2の周波数帯域とに濾波する電気信号濾波工程と、
前記電気信号を前記第1の周波数帯域と前記第2の周波数帯域とにおいて独立して出力する電気信号出力工程とを備えた変換方法。 - 請求項23において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を低域通過濾波する工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を高域通過濾波する工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を濾波しかつ増幅する工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を濾波し、増幅しかつオフセットする工程を有する変換方法。
- 請求項23において、さらに、前記電気信号を第1および第2の周波数帯域の独立した濾波を許容する方法で前記電気信号を分離する電気信号分離工程を備えた変換方法。
- 請求項28において、前記電気信号分離工程は、前記電気信号をバッファリングする工程を有する変換方法。
- 請求項29において、さらに、前記周波数帯域の少なくとも一方に前記電気信号を濾波するのに先立って、前記電気信号を調整する工程を有する変換方法。
- 請求項29において、さらに、バッファリング用の電力を供給するために単一の電源を設ける工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程が前記電気信号を高インピーダンス検知する工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程が温度感度を減少させる工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号出力工程が、前記少なくとも第1および第2の周波数帯域において前記電気信号を低い出力インピーダンスで提供する工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程がパッシブな低域通過フィルタリング工程を有する変換方法。
- 請求項23において、前記電気信号濾波工程がパッシブな高域通過フィルタリング工程を有する変換方法。
- 検出された力または機械的動作を対応する電気信号に変換するシステムであって、
検出された力または機械的動作の関数として電気信号を提供する提供手段と、
この電気信号を少なくとも2つの濾波された信号に変換する変換手段とを備えたシステム。 - 検出された力または機械的動作に対応する電気信号を処理する電子回路であって、
前記検出された力または機械的動作に対応する電気信号を受け取るための回路入力と、
この回路入力に結合された少なくとも2つのフィルタ・モジュールであって、前記電気信号を濾波し、かつ各回路出力に濾波された電気信号をそれぞれ提供する少なくとも2つのフィルタ・モジュールとを備えた電子回路。 - 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールは低域通過フィルタを有する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールは高域通過フィルタを有する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールは前記電気信号を濾波しかつ増幅する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールは前記電気信号を濾波し、増幅しかつオフセットする電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールへの各入力は互いに電気的に分離される電子回路。
- 請求項38において、さらに、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの各入力を互いに分離させるバッファを有する電子回路。
- 請求項44において、前記バッファは、前記回路入力と前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの入力の少なくとも1つとの間に電気的に配置される電子回路。
- 請求項45において、さらに、前記回路入力に直接結合されていないフィルタ・モジュールに前記回路入力によって観測される電気特性を提供する少なくとも1つのインピーダンス素子を備えた電子回路。
- 請求項44において、前記バッファはソース・フォロワ構造に構成される電子回路。
- 請求項44において、前記バッファは演算増幅器を設ける電子回路。
- 請求項44において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの1つが低域通過フィルタであり、この低域通過フィルタの出力によって電力が前記バッファに供給される電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つが高い入力インピーダンスを有する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つがJFETトランジスタを使用して電気信号を増幅する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つが少なくとも1つのJFETトランジスタを使用してフィルタ・モジュールの特性の温度感度を減少させる電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つが低い出力インピーダンスを有する電子回路。
- 請求項53において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つが少なくとも1つのトランジスタを使用して低い出力インピーダンスを提供する電子回路。
- 請求項53において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つがトランジスタのダーリントン組み合わせを使用して低い出力インピーダンスを提供する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つがパッシブ低域通過フィルタ回路を有する電子回路。
- 請求項38において、前記少なくとも2つのフィルタ・モジュールの少なくとも1つがパッシブ高域通過フィルタ回路を有する電子回路。
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