RU2370882C1 - Charge amplifier for piezoelectric detector (versions) - Google Patents
Charge amplifier for piezoelectric detector (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2370882C1 RU2370882C1 RU2008131372/09A RU2008131372A RU2370882C1 RU 2370882 C1 RU2370882 C1 RU 2370882C1 RU 2008131372/09 A RU2008131372/09 A RU 2008131372/09A RU 2008131372 A RU2008131372 A RU 2008131372A RU 2370882 C1 RU2370882 C1 RU 2370882C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- resistor
- output
- limiting
- feedback
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам согласования высокоомного выхода пьезодатчика для контроля вибрации и измерительной аппаратуры для контроля вибрации.The invention relates to a device for matching a high-resistance output of a piezoelectric sensor for vibration control and measuring equipment for vibration control.
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 012.1. Handbook for Dynamic Data Acquisition and Analysis // Institute of Environmental Sciences. 1995 г., стр.101].Piezoelectric vibration sensors at their own resonant frequency have a significant increase in amplitude-frequency characteristics. The excess of the resonant level above the level of the working section may exceed 50 dB. In the presence of input actions on the sensor of components with frequencies close to resonant, or during shock effects, high-amplitude signals are formed due to the rise of the amplitude-frequency characteristic at the resonance, which causes an overload of the input amplifier, at which this amplifier falls into a saturation state, which violates the correct feedback operation of this amplifier. As a result, a long-term high-amplitude signal is generated at the output of this amplifier, representing a false low-frequency oscillation distorting the measurement results [IES Recommended Practice 012.1. Handbook for Dynamic Data Acquisition and Analysis // Institute of Environmental Sciences. 1995, p. 101].
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].To suppress high-frequency components acting on the sensor, mechanical filters can be used between the sensor and the controlled object. However, the suppression coefficient of such filters may be insufficient, and their use is often impossible, for example, if the sensor is installed in the high-temperature region [ibid., P. 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. 313-318, 2004, стр.316, Fig.3 и 4].Charge amplifier circuits are known in which an additional resistor is included to suppress the high-frequency components between the sensor and the inverting input of the operational amplifier, which is connected to the output of the operational amplifier through a feedback capacitor and through a feedback resistor [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. 313-318, 2004, p. 316, Fig. 3 and 4].
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.The disadvantage of this technical solution is the need to use very large resistors connected to the input of the amplifier. Indeed, to ensure a large transfer coefficient, the capacitance in the feedback circuit must be relatively small, which determines the large value of the resistor in the feedback circuit, which determines the lower cutoff frequency. To effectively suppress high-frequency components, the value of the input resistor must be large to ensure the integrating transfer function is greater than the value of the resistor in the feedback circuit. With this value of resistors, not only does the noise of the amplifier increase, but the amplifier itself practically ceases to be a charge amplifier, losing its inherent advantages (low dependence on the characteristics of the sensor and amplifier communication cable, reduced noise level, etc.). It should be noted that the inclusion of a large resistor between the piezoelectric sensor and the input of the amplifier especially affects the temperature of the piezoelectric sensor, since its leakage resistance and leakage resistance of the connecting cable quickly decrease with increasing temperature and the charges formed by the sensor drain through these resistors, and not through the specified high-resistance resistor , which reduces the conversion coefficient with increasing temperature.
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. Таким образом, в качестве выходного сигнала у предлагаемого усилителя на выходе первого каскада сразу формируется сигнал, пропорциональный виброскорости, которая в соответствии с действующим ГОСТом является величиной, определяющей допустимость эксплуатации оборудования. В соответствии с требованиями нормативных документов измерению подлежит величина виброскорости [ГОСТ 26044-83. Вибрация. Аппаратура для эксплуатационного контроля вибрационного состояния энергетических гидротурбинных агрегатов. Общие технические требования. М.: Издательство стандартов, 6 стр. ГОСТ Р ИСО 10816-1-97. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования. Госстандарт, Минск, 1998 г 12 стр. ГОСТ Р ИСО 8579-2-99. Контроль вибрационного состояния зубчатых механизмов при приемке. М., 2000, 14 с.].The variants of the invention presented below are united by a common inventive concept, namely, the implementation in the input stage of the charge amplifier for the piezoelectric accelerometer of the transition from vibration acceleration to vibration velocity, which implies providing a high conversion coefficient for low-frequency components and low for high-frequency components. Moreover, since the operational amplifier of such a cascade has a decreasing amplitude-frequency characteristic, high gain can be ensured at low frequencies, therefore, a good signal-to-noise ratio is provided and the restrictions associated with the decrease in the transmission coefficient inherent in the operational amplifier with an increase in the operating frequency are removed. In these technical solutions, such characteristics are achieved by connecting a resistor and a feedback capacitor to the output of a frequency-dependent divider, the division coefficient of which decreases with increasing frequency for frequencies above the lower cut-off frequency of the transmission of the charge amplifier. Thus, as the output signal of the proposed amplifier at the output of the first stage, a signal is immediately generated proportional to the vibration velocity, which in accordance with the current GOST is a value that determines the admissibility of equipment operation. In accordance with the requirements of regulatory documents, the value of vibration velocity is subject to measurement [GOST 26044-83. Vibration. Equipment for operational monitoring of the vibrational state of power hydroturbine units. General technical requirements. M .: Publishing house of standards, 6 pp. GOST R ISO 10816-1-97. Monitoring the condition of machines according to the results of measuring vibration on non-rotating parts.
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. кл. 330/69, МКИ H03F 3/45, 2002 г.].A known charge amplifier for a piezoelectric accelerometer, containing an operational amplifier, the output of which is the output of a charge amplifier and connected to the first output of the resistor, the second output of which is connected to the input of the resistor node, the inputs of the operational amplifier are connected to a common bus and, through a feedback capacitor and feedback resistor, respectively the second output of the resistor [US Patent No. 6407631, N. cl. 330/69, MKI
Недостатками данного усилителя заряда является сравнительно низкая достоверность функционирования и малый динамический диапазон измеряемой виброскорости.The disadvantages of this charge amplifier is the relatively low reliability of operation and the small dynamic range of the measured vibration velocity.
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.].A known charge amplifier for a piezoelectric accelerometer, containing an operational amplifier, the output of which is the output of a charge amplifier and connected through the first resistor to the first terminals of the second and third resistors, the second terminal of the second resistor is connected to the inverting input of the operational amplifier, which is connected through the first capacitor to the first terminal of the third resistor whose second output is connected via a second capacitor to a common bus [Datasheet Ultralow Noise, High speed BiFET Op Amp AD745. Analog Devices.
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.].A known charge amplifier for a piezoelectric sensor containing an operational amplifier, the output of which is connected to the input of the resistive divider and through a feedback capacitor to the inverse input of the operational amplifier, which is the input of the amplifier, and the output of the resistive divider is connected through a feedback resistor to the inverse input of the operational amplifier, direct input which is connected to a common bus that is connected to a common terminal of the resistive divider [US Patent No. 6104120, MKI H04L 41/08, N. cl. 310/319, August 15, 2000].
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.The disadvantage of this device is the low noise immunity to the effects of shock pulses and high-frequency vibrations on the sensors due to the possible overload of the operational amplifier, which limits its dynamic range and reliability of operation.
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.Closest to the proposed and selected as a prototype is a charge amplifier for a piezoelectric sensor according to US patent No. 4543536, MKI
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.This charge amplifier for a piezoelectric sensor, containing an operational amplifier, feedback capacitor, feedback resistor, first and second resistor dividers and a restriction node, the first and second inputs of which are inputs of a charge amplifier for a piezoelectric sensor, the first and second outputs of the restriction node are connected respectively to the inverse and direct inputs of an operational amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first and second resistor divider, the outputs of which are through a feedback capacitor and p The feedback resistor is connected to the feedback input of the limiting unit and the inverse input of the operational amplifier, the common output of the first resistor divider is connected to the common bus.
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.The disadvantage of this device is the relatively narrow dynamic range and the relatively low reliability of the measurements associated with the possibility of overloading the amplifier during impacts on the piezoelectric transducer and when exposed to high-frequency vibrations.
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.The aim of the invention is to expand the dynamic range and increase the reliability of the operation by converting the charge signal from the piezoelectric sensor directly into a signal proportional to vibration velocity, since the high-frequency components of the signals from the sensor are significantly attenuated.
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.The proposed options for implementation are united by a single idea, namely, that the charge amplifier is performed using dividers at the output of the operational amplifier separately for feedback circuits for direct current and alternating current, and these circuits are frequency-dependent and implement the conversion of the transmitter signals into a vibration velocity signal .
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.In the first embodiment, the goal is achieved by the fact that in a charge amplifier for a piezoelectric transducer containing an operational amplifier, a feedback capacitor, a feedback resistor, the first and second resistor dividers and a limiting unit, the first and second inputs of which are the inputs of the charge amplifier for the piezoelectric transducer, the first and the second outputs of the restrictive node are connected respectively to the inverse and direct inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first and second resistor divider, the outputs of which x through respectively a feedback capacitor and a feedback resistor are connected to the feedback input of the limiting unit and the inverse input of the operational amplifier, the common output of the first resistor divider is connected to a common bus, the first and second additional resistors are connected respectively between the output of the operational amplifier and the outputs of the first and second resistor divider capacitors, the product of the capacitance value of which and the resistance value of the corresponding resistor divider between its input and output above the reciprocal of the lower boundary frequency of the charge amplifier for the piezoelectric transducer, the common terminal of the second resistor divider is connected to the common bus via a third additional capacitor, the product of the capacitance of which by the resistance of the second resistor divider between its output and the common terminal is greater than the reciprocal of the lower boundary frequency of the amplifier charge for a piezosensor.
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.In the second embodiment, the goal is achieved by the fact that in a charge amplifier for a piezoelectric transducer containing an operational amplifier, a feedback capacitor, a feedback resistor, the first and second resistor dividers and a limiting unit, the first and second inputs of which are inputs of the charge amplifier for the piezoelectric transducer, the first and the second outputs of the restrictive node are connected respectively to the inverse and direct inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first and second resistor divider, the outputs of which through a feedback capacitor and a feedback resistor, respectively, are connected to the feedback input of the limiting unit and the inverse input of the operational amplifier, the common terminals of the first and second resistor dividers are connected to a common bus, the first and second resistor dividers are connected, respectively, the first and the second additional capacitors, the product of the capacitance of which is the value of the resistance of the corresponding divider between its input and output above the reciprocal lower boundary frequency of the charge amplifier for the piezoelectric transducer.
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.In the third embodiment, the goal is achieved by the fact that in the charge amplifier for the piezoelectric transducer containing the operational amplifier, feedback capacitor, feedback resistor, the first and second resistor dividers and the restriction node, the first and second inputs of which are inputs of the charge amplifier for the piezoelectric transducer, the first and the second outputs of the restrictive node are connected respectively to the inverse and direct inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first and second resistor divider, the outputs of which passed through a feedback capacitor and a feedback resistor, respectively, connected to the feedback input of the limiting unit and the inverse input of the operational amplifier, the common terminal of the first resistor divider is connected to the common bus, the first additional capacitor is connected between the output of the operational amplifier and the output of the first resistor divider, the product of the capacitance which by the value of the resistance of the first resistor divider between its input and output is greater than the reciprocal of the lower boundary often You are the charge amplifier for the piezoelectric sensor, the common output of the second resistor divider is connected to the common bus through the second additional capacitor, the product of the capacitance of which by the resistance of the second resistor divider between its output and the common output is greater than the reciprocal of the lower boundary frequency of the charge amplifier for the piezoelectric sensor.
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.In the fourth embodiment, the goal is achieved by the fact that in the charge amplifier for the piezoelectric sensor, comprising an operational amplifier, a feedback capacitor, a feedback resistor, the first and second resistor dividers and a limiting unit, the first and second inputs of which are the inputs of the charge amplifier for the piezoelectric sensor, the first and the second outputs of the restrictive node are connected respectively to the inverse and direct inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the inputs of the first and second resistor divider, the outputs of the cat through a feedback capacitor and a feedback resistor, respectively, are connected to the feedback input of the limiting unit and the inverse input of the operational amplifier, between the output of the operational amplifier and the output of the first resistor divider, the first additional capacitor is included, the product of the capacitance of which is the value of the resistance of the first resistor divider between its input and the output is greater than the reciprocal of the lower boundary frequency of the charge amplifier for the piezoelectric transducer, the direct input of the operating the amplifier through the first additional resistor is connected to the first plate of the second additional capacitor, the second plate of which is connected to the common terminal of the second resistor divider, the first plate of the second additional capacitor is connected to the common bus via the second additional resistor, the product of the capacitance of the second additional capacitor by the resistance value of the second resistor divider between its output and the general output is greater than the reciprocal of the lower boundary frequency of the amplifier and to a piezoelectric transducer, and a common terminal of the first resistor divider connected to the common bus through a third further resistor and a third additional capacitor which is connected in parallel to a third further resistor and a further capacitor via the fourth to the additional input limiting unit.
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.Figure 1 shows the structural diagram of the charge amplifier for the piezoelectric transducer according to the second embodiment. Figure 2 shows the structural diagram of the charge amplifier for the piezoelectric transducer according to the first embodiment. Figure 3 shows the structural diagram of the charge amplifier for the piezoelectric transducer according to the third embodiment. Figure 4 shows the structural diagram of the charge amplifier for the piezoelectric sensor in the fourth embodiment. Figure 5-10 shows the structural diagrams of embodiments of the restrictive node, and Fig.11-14 structural diagrams of embodiments of the restrictive element. On Fig shows an example of the amplitude-frequency characteristics of the proposed charge amplifier in terms of vibration velocity.
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.The charge amplifier for the piezoelectric sensor, as shown in figure 1, contains an
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.The restriction node contains a restriction resistor 21, which is connected between the
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.The charge amplifier for the piezoelectric sensor, as shown in figure 2, contains an
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.The charge amplifier for the piezoelectric sensor, as shown in figure 3, contains an
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.The charge amplifier for the piezoelectric sensor, as shown in figure 4, contains an
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.The restriction node (Figs. 1-3) contains a
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.The
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.In the limiting assembly shown in FIG. 5, its
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.In the
Как показано на фиг.7-10 возможны также другие варианты реализации ограничительно узла 6 с использованием ограничительного конденсатора 28 и дополнительного ограничительного резистора 30.As shown in FIGS. 7-10, other embodiments of the
В качестве ограничительного элемента 29, как показано на фиг.11, использован двуханодный стабилитрон 32.As a
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.As a limiting element, as shown in FIG. 12, a two-
Ограничительный элемент 29, как показано на фиг.13, может быть выполнен и без использования двуханодного стабилитрона с использованием первого 33 и второго 34 диодов.The
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.The restriction element, as shown in Fig. 14, contains the first 33 and second 34 diodes, the cathode and anode of which are combined and are the first input of the
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.The charge amplifier for the piezoelectric sensor operates as follows. Under the influence of vibration, the
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.The signal from the outputs of the limiting
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.Since on the one hand the capacitance of the
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 виброскоростиThe value of the resistor 18 R 18 and the capacitance value of the capacitor 13 C 13 are selected so that the cutoff frequency inversely proportional to the time constant of this R 18 C 13 chain, corresponding to a decrease with a slope of 6 dB / octave, is lower than the lower operating frequency measured by the vibration velocity
Аналогичное соотношение выполняется и для резистора 17 R17 и величины емкости конденсатора 15 C15:A similar relationship holds for the resistor 17 R 17 and the capacitance of the capacitor 15 C 15 :
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.At higher frequencies, when the reactance of the capacitor 13 is much less than the resistance of the resistor 18, the division ratio of the output voltage of the operational amplifier is close to unity, the conversion coefficient is determined by the value of the
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.Thus, in the operating frequency range, the amplifier provides the implementation of the frequency dependence of the transmission coefficient corresponding to the integration of the input acceleration signal, and this is done directly in the input stage of the charge amplifier. The frequency response explaining this is shown in Fig. 15. Due to the fact that the frequency dependence of the division coefficient changes at higher frequencies, the frequency response may rise at higher frequencies. To further expand the range of operating frequencies in the direction of its increase in the limiting node, you can use one or two limiting resistors, of relatively small magnitude, providing a decrease in frequency response in the high frequency region. This allows you to get the resulting frequency response in speed with a wide frequency range.
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.Even a significant surge in the frequency response of the
Claims (19)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008131372/09A RU2370882C1 (en) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Charge amplifier for piezoelectric detector (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008131372/09A RU2370882C1 (en) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Charge amplifier for piezoelectric detector (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2370882C1 true RU2370882C1 (en) | 2009-10-20 |
Family
ID=41263098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008131372/09A RU2370882C1 (en) | 2008-07-31 | 2008-07-31 | Charge amplifier for piezoelectric detector (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2370882C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2695981C1 (en) * | 2019-03-11 | 2019-07-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Active rc-filter of lower frequencies of third order with differential input based on operational amplifier with paraphrase output |
| RU2697611C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Active rc-filter for processing signals of piezoelectric transducer |
-
2008
- 2008-07-31 RU RU2008131372/09A patent/RU2370882C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697611C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Active rc-filter for processing signals of piezoelectric transducer |
| RU2695981C1 (en) * | 2019-03-11 | 2019-07-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Active rc-filter of lower frequencies of third order with differential input based on operational amplifier with paraphrase output |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2370882C1 (en) | Charge amplifier for piezoelectric detector (versions) | |
| US9966888B2 (en) | Damping system for a generator | |
| CN104677483A (en) | Digitized magneto-electric type low-frequency vibration sensor system | |
| CN106982043B (en) | Method for controlling operation of moving average filter | |
| US4399414A (en) | Low-noise pulse conditioner | |
| CN212340412U (en) | Vibration sensor with ultralow frequency compensation | |
| RU2391770C2 (en) | Charge amplifier for piezoelectric vibration sensor (versions) | |
| US8466748B2 (en) | Amplifier circuit and method for conditioning an output current signal of a detector element | |
| RU2370881C1 (en) | Symmetrical charge amplifier for piezoelectric detector (versions) | |
| US20180091103A1 (en) | Ripple reduction method for chopper amplifiers | |
| RU2370880C1 (en) | Differential charge amplifier for piezoelectric detector (versions) | |
| JPWO2005012920A1 (en) | Mechanical quantity sensor | |
| Hendijanizadeh et al. | The effect of internal resistance on an energy harvester with cubic resistance load | |
| US5245278A (en) | Device for the processing of a signal coming from a sensor with a derivative type of response | |
| GB2202624A (en) | Optimum biasing system for electronic devices | |
| RU2382368C1 (en) | Device for measurement of vibration (versions) | |
| US6169808B1 (en) | Signal compressing circuit | |
| RU2205413C1 (en) | Converter of resistance to d c voltage | |
| EP3803314B1 (en) | Measuring system and method for measuring the displacement of at least one point of a bridge | |
| Hakimitoroghi et al. | Compensation techniques for geophone response used as vibration sensor in seismic applications | |
| US8804384B2 (en) | Converter for powering electric motor | |
| RU2211455C1 (en) | Radiometer | |
| Abel | Improving Hydrophone Preamp Performance with Bias Resistor Feedback | |
| RU2333592C2 (en) | Method of ensuring amplifier frequency distortion tolerance and device to this effect | |
| SU1536324A1 (en) | Frequency converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100801 |