RU2400867C1

RU2400867C1 - Piezo electric transducer

Info

Publication number: RU2400867C1
Application number: RU2009107806/28A
Authority: RU
Inventors: Николай Федорович Архипкин (RU); Николай Федорович Архипкин; Александр Александрович Кирпичев (RU); Александр Александрович Кирпичев; Андрей Андреевич Редюшев (RU); Андрей Андреевич Редюшев; Александр Анатольевич Симчук (RU); Александр Анатольевич Симчук; Андрей Николаевич Цыпленков (RU); Андрей Николаевич Цыпленков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ГлобалТест"
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed transducer comprises piezo transducer and preamplifier. First part of preamplifier is arranged in transducer package and comprises amplification stage built around field transistor and three resistors. Second part of preamplifier is arranged outside said package and comprises decoupling capacitor and stabilitron. Cathode of the latter and first output of decoupling capacitor are connected to field transistor source. Second output of decoupling capacitor and stabilitron anode are connected with recorder and power supply, respectively, common point of both being connected with field transistor drain. Transducer comprises also first and second diode connected in series. Cathode of 1^st diode and anode of 2^nd diode are connected with source and drain of field transistor, respectively. Their midpoint is connected with field transistor gate, first electrode of piezo transducer via 1^st resistor first output. First resistor 2^nd output is connected with first outputs of 2^nd and 3^rd resistors. Second output of 2^nd resistor is connected with field transistor source. Second output of 3^rd resistor is connected with piezo transducer 2^nd electrode and field transistor drain.

EFFECT: simplified circuitry, reduce intrinsic noise and protection against field transistor breakdown.

1 dwg

Description

Пьезоэлектрический измерительный преобразователь предназначен для использования в области измерения параметров динамических механических величин.The piezoelectric measuring transducer is intended for use in the field of measuring parameters of dynamic mechanical quantities.

Известен пьезоэлектрический акселерометр (см. Патент на изобретение №2152621, кл. МКИ G01P 15/09. ООО «ГлобалТест», Архипкин Н.Ф., Кирпичев А.А., Редюшев А.А., Шведов А.В. Опубл. 29.03.99), который содержит пьезопреобразователь, соединенный первым электродом со вторым выводом первого токоограничивающего резистора, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и затвором полевого транзистора, исток которого соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым электродом пьезопреобразователя, стоком полевого транзистора с изолированным затвором и через линию связи с общим выводом источника питания и регистратора. Сток полевого транзистора соединен с катодом первого токостабилизирующего диода, первым выводом пятого резистора и затвором полевого транзистора с изолированным затвором. Второй вывод пятого резистора соединен со вторым выводом второго резистора и первым выводом четвертого резистора. Исток полевого транзистора с изолированным затвором соединен с анодом первого токостабилизирующего диода и через линию связи - с катодом второго токостабилизирующего диода и первым выводом разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с регистратором. Анод второго токостабилизирующего диода подключен к источнику питания.A known piezoelectric accelerometer (see Patent for invention No. 2152621, class MKI G01P 15/09. LLC GlobalTest, Arkhipkin NF, Kirpichev AA, Redyushev AA, Shvedov AV Publ. March 29, 1999), which contains a piezoelectric transducer connected to the second terminal of the first current-limiting resistor by a first electrode, the first terminal of the first resistor connected to the first terminal of the second resistor and the gate of the field effect transistor, the source of which is connected to the first terminal of the third resistor, the second terminal of which is connected to the second electrode piezoelectric transducer I, by the drain of a field-effect transistor with an isolated gate and through a communication line with a common output of a power source and a registrar. The drain of the field-effect transistor is connected to the cathode of the first current-stabilizing diode, the first terminal of the fifth resistor and the gate of the field-effect transistor with an insulated gate. The second terminal of the fifth resistor is connected to the second terminal of the second resistor and the first terminal of the fourth resistor. The source of the insulated gate field-effect transistor is connected to the anode of the first current-stabilizing diode and through the communication line to the cathode of the second current-stabilizing diode and the first output of the isolation capacitor, the second output of which is connected to the recorder. The anode of the second current-stabilizing diode is connected to a power source.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.The above device is the closest in technical essence to the claimed device and therefore is selected as a prototype.

Недостатками данного устройства являются сложность электрической схемы, повышенный уровень шума предусилителя и отсутствие элементов защиты от пробоя затвора полевого транзистора.The disadvantages of this device are the complexity of the electrical circuit, the increased noise level of the preamplifier and the absence of protection elements from the breakdown of the gate of the field effect transistor.

Решаемой технической задачей является создание пьезоэлектрического измерительного преобразователя с упрощенной электрической схемой.The technical problem to be solved is the creation of a piezoelectric measuring transducer with a simplified electrical circuit.

Достигаемым техническим результатом является снижение уровня собственного шума и защита от пробоя полевого транзистора.Achievable technical result is to reduce the level of intrinsic noise and protection against the breakdown of the field effect transistor.

Для достижения технического результата в пьезоэлектрическом измерительном преобразователе, содержащем пьезопреобразователь и предусилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе преобразователя и включает каскад усиления на полевом транзисторе и трех резисторах, а вторая часть предусилителя расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор и токостабилизирующий диод, катод которого и первый вывод разделительного конденсатора соединены с истоком полевого транзистора, при этом второй вывод разделительного конденсатора и анод токостабилизирующего диода соединены соответственно с регистратором и источником питания, общая точка которых через линию связи соединена со стоком полевого транзистора, новым является то, что дополнительно введены последовательно соединенные первый и второй диоды, катод первого и анод второго диодов соединены соответственно с истоком и стоком полевого транзистора, а их средняя точка соединена с затвором полевого транзистора, с первым электродом пьезопреобразователя и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, при этом второй вывод второго резистора соединен с истоком полевого транзистора, а второй вывод третьего резистора соединен со вторым электродом пьезопреобразователя и со стоком полевого транзистора.To achieve a technical result in a piezoelectric measuring transducer containing a piezoelectric transducer and a preamplifier, consisting of two parts, the first of which is located in the transducer housing and includes a cascade of amplification on the field effect transistor and three resistors, and the second part of the preamplifier is located outside the housing and includes an isolation capacitor and a current stabilizing a diode, the cathode of which and the first output of the isolation capacitor are connected to the source of the field-effect transistor, while the second output is times The building capacitor and the anode of the stabilizing diode are connected respectively to the recorder and the power source, the common point of which is connected through the communication line to the drain of the field-effect transistor, it is new that the first and second diodes are added in series, the cathode of the first and the anode of the second diodes are connected respectively to the source and drain of the field effect transistor, and their midpoint is connected to the gate of the field effect transistor, with the first electrode of the piezoelectric transducer and the first output of the first resistor a, the second terminal of which is connected to the first terminals of the second and third resistors, while the second terminal of the second resistor is connected to the source of the field-effect transistor, and the second terminal of the third resistor is connected to the second electrode of the piezoelectric transducer and to the drain of the field-effect transistor.

В заявляемом устройстве упрощение схемы и уменьшение уровня собственного шума достигается тем, что из усилительного каскада исключен второй полевой транзистор.In the inventive device, the simplification of the circuit and the reduction of the level of intrinsic noise is achieved by the fact that the second field-effect transistor is excluded from the amplification stage.

Защита от пробоя полевого транзистора достигается тем, что в схему введены два последовательно соединенных диода, которые ограничивают напряжение на затворе полевого транзистора.Protection against the breakdown of the field effect transistor is achieved by the fact that two diodes connected in series are introduced into the circuit, which limit the voltage across the gate of the field effect transistor.

На чертеже изображен пьезоэлектрический измерительный преобразователь.The drawing shows a piezoelectric measuring transducer.

Пьезоэлектрический измерительный преобразователь содержитThe piezoelectric transducer contains

пьезопреобразователь 1 и предусилитель, состоящий из двух частей, одна из которых размещена в корпусе преобразователя и включает каскад усиления на полевом транзисторе 7 и трех резисторах 2, 3 и 4, а другая часть предусилителя расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор 8 и токостабилизирующий диод 9, катод которого и первый вывод разделительного конденсатора 8 соединены с истоком полевого транзистора 7, при этом второй вывод разделительного конденсатора 8 и анод токостабилизирующего диода 9 соединены соответственно с регистратором и источником питания 10, общая точка которых соединена со стоком полевого транзистора 7, диоды 5 и 6, последовательно соединены, при этом катод диода 5 и анод диода 6 соединены соответственно с истоком и стоком полевого транзистора 7, а их средняя точка соединена с затвором полевого транзистора 7, с первым электродом пьезопреобразователя 1 и первым выводом резистора 4, второй вывод которого соединен с первыми выводами резисторов 2 и 3, при этом второй вывод резистора 2 соединен с истоком полевого транзистора 7, а второй вывод резистора 3 соединен со вторым электродом пьезопреобразователя 1 и со стоком полевого транзистора 7. Устройство работает следующим образом.a piezoelectric transducer 1 and a preamplifier consisting of two parts, one of which is located in the transducer housing and includes a cascade of amplification on the field effect transistor 7 and three resistors 2, 3, and 4, and the other part of the preamplifier is located outside the housing and includes an isolation capacitor 8 and a current-stabilizing diode 9 the cathode of which and the first output of the isolation capacitor 8 are connected to the source of the field-effect transistor 7, while the second output of the isolation capacitor 8 and the anode of the current-stabilizing diode 9 are connected respectively to the reg a strator and a power source 10, the common point of which is connected to the drain of the field-effect transistor 7, diodes 5 and 6 are connected in series, while the cathode of the diode 5 and the anode of the diode 6 are connected respectively to the source and drain of the field-effect transistor 7, and their middle point is connected to the gate field transistor 7, with the first electrode of the piezoelectric transducer 1 and the first output of the resistor 4, the second terminal of which is connected to the first terminals of the resistors 2 and 3, while the second terminal of the resistor 2 is connected to the source of the field transistor 7, and the second terminal of the resistor 3 with one with the second electrode of the piezoelectric transducer 1 and the drain of FET 7. The device operates as follows.

При механическом воздействии на пьезоэлектрический измерительный преобразователь на пьезопреобразователе 1 возникает полезный сигнал, который поступает на затвор полевого транзистора 7 с изолированным затвором, работающим как истоковый повторитель. Для обеспечения необходимого режима работы транзистора служат резисторы 2, 3, 4. Токостабилизирующий диод 9 является динамической нагрузкой истокового повторителя. Диоды 5 и 6 служат для защиты от пробоя полевого транзистора, ограничивая напряжение на его затворе. Далее сигнал, пропорционально ускорению через линию связи и разделительный конденсатор 8 поступает на регистратор.When a piezoelectric transducer is mechanically exposed to a piezoelectric transducer 1, a useful signal arises, which is fed to the gate of a field-effect transistor 7 with an insulated gate that acts as a source follower. To ensure the required mode of operation of the transistor, resistors 2, 3, 4 are used. The current-stabilizing diode 9 is the dynamic load of the source follower. Diodes 5 and 6 serve to protect against the breakdown of the field effect transistor, limiting the voltage at its gate. Next, the signal is proportional to the acceleration through the communication line and the isolation capacitor 8 is fed to the recorder.

Предусилитель обеспечивает при питании от генератора тока (2÷2,4) мА с Е.Д.С.+(15÷30)В постоянное напряжение на выходе при отсутствии сигнала (8÷10)В.The preamplifier provides, when powered by a current generator (2 ÷ 2.4) mA with EDC + (15 ÷ 30) V DC output voltage in the absence of a signal (8 ÷ 10) V.

Был изготовлен опытный образец пьезоэлектрического измерительного преобразователя, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявленного объекта. Были использованы следующие элементы:A prototype of a piezoelectric measuring transducer was manufactured, tests of which confirmed the feasibility and practical value of the claimed object. The following elements were used:

пьезопреобразователь 1, изготовленный из пьзокерамики ЦТС-19 и имеющий кольцевую форму с размерами:piezoelectric transducer 1 made of piezoelectric ceramics TsTS-19 and having an annular shape with dimensions:

наружный диаметр outside diameter 8 мм8 mm внутренний диаметр inner diameter 5 мм5 mm высоту height 2 мм2 mm

полевой транзистор 7 - IRLML 5103 фирмы «International Rectifier»;field effect transistor 7 - IRLML 5103 of the company "International Rectifier";

резистор 2 - Р1-8-0.125resistor 2 - P1-8-0.125 62 кОм62 kOhm резистор 3 - Р1-8-0.125resistor 3 - P1-8-0.125 200 кОм200 kOhm резистор 4 - Р1-33-1resistor 4 - P1-33-1 510 МОм510 megohms

диод 5 - BAV199 фирмы «Philips»;diode 5 - Philips BAV199;

диод 6 - BAV199 фирмы «Philips»;diode 6 - Philips BAV199;

диод 9 - j508 фирмы «Vishay-Siliconix»;diode 9 - j508 of the company "Vishay-Siliconix";

конденсатор 8 - К53-1 мкФ.Capacitor 8 - K53-1 uF.

Реализованы следующие технические характеристики при напряжении питания+(15÷30)В и токе (2÷2,4) мА:The following technical characteristics are implemented at a supply voltage of + (15 ÷ 30) V and a current (2 ÷ 2.4) mA:

1) коэффициент преобразования 10 мВ/g;1) conversion factor 10 mV / g;

2) рабочая полоса частот (0,5÷10000)Гц;2) operating frequency band (0.5 ÷ 10000) Hz;

3) среднеквадратичное значение шума в полосе частот (1÷10000)Гц не более 1 мкВ (0,000l g).3) the rms value of noise in the frequency band (1 ÷ 10000) Hz is not more than 1 μV (0,000l g).

4) Максимальное амплитудное значение сигнала±5 В при напряжении питания 15 В и коэффициенте нелинейных искажений не более 1%.4) The maximum amplitude value of the signal is ± 5 V with a supply voltage of 15 V and a non-linear distortion coefficient of not more than 1%.

Claims

A piezoelectric measuring transducer comprising a piezoelectric transducer and a preamplifier consisting of two parts, one of which is located in the transducer housing and includes a cascade of amplification on the field effect transistor and three resistors, and the other part of the preamplifier is located outside the housing and includes an isolation capacitor and a current-stabilizing diode, the cathode of which the first output of the isolation capacitor is connected to the source of the field-effect transistor, while the second output of the isolation capacitor and the anode are current-stable of the isolating diode are connected respectively to the recorder and the power source, the common point of which is connected to the drain of the field-effect transistor, characterized in that the first and second diodes are added in series, the cathode of the first and the anode of the second diodes are connected respectively to the source and drain of the field-effect transistor, and their average the point is connected to the gate of the field-effect transistor, with the first electrode of the piezoelectric transducer and the first terminal of the first resistor, the second terminal of which is connected to the first terminals of the second and the third resistor, while the second terminal of the second resistor is connected to the source of the field-effect transistor, and the second terminal of the third resistor is connected to the second electrode of the piezoelectric transducer and to the drain of the field-effect transistor.