RU2670712C1 - Device for measuring output signal of piezoelectric sensor - Google Patents
Device for measuring output signal of piezoelectric sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2670712C1 RU2670712C1 RU2017141083A RU2017141083A RU2670712C1 RU 2670712 C1 RU2670712 C1 RU 2670712C1 RU 2017141083 A RU2017141083 A RU 2017141083A RU 2017141083 A RU2017141083 A RU 2017141083A RU 2670712 C1 RU2670712 C1 RU 2670712C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric sensor
- amplifier
- output
- resistor
- output signal
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам с пьезоэлектрическим датчиком, которые преобразуют величину переменных сил давления в электрический сигнал.The invention relates to the field of measurement technology, in particular to devices with a piezoelectric sensor, which convert the magnitude of the variable pressure forces into an electrical signal.
Известно устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика [Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерители физических величин // Л.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 116, рис. 6а]. В устройстве один электрод пьезоэлектрического датчика первым проводом кабеля соединен с положительным входом усилителя. Отрицательный вход усилителя через первый резистор соединен с общим проводом устройства и через второй резистор с выходом усилителя. Второй электрод пьезоэлектрического датчика вторым проводом кабеля подключен к общему проводу устройства, который соединен через третий резистор с положительным входом усилителя. Данное устройство усиливает напряжение, возникающее на пьезоэлектрическом датчике при воздействии на него переменной силы давления, согласно выражению:A device is known for measuring the output signal of a piezoelectric sensor [E.S. Levshina, P.V. Novitsky. Electrical meters of physical quantities // L .: Energoatomizdat, 1983, p. 116, fig. 6a]. In the device, one electrode of the piezoelectric sensor is connected to the positive input of the amplifier by the first wire of the cable. The negative input of the amplifier through the first resistor is connected to the common wire of the device and through the second resistor to the output of the amplifier. The second electrode of the piezoelectric sensor with the second wire of the cable is connected to the common wire of the device, which is connected via a third resistor to the positive input of the amplifier. This device amplifies the voltage arising on the piezoelectric sensor when exposed to a variable pressure force, according to the expression:
где: К - коэффициент преобразования устройства;Where: K - device conversion factor;
Uвых - напряжение на выходе усилителя;U o - the voltage at the output of the amplifier;
ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;ρ is the charge on the piezoelectric sensor;
R1, R2 - величины сопротивлений первого и второго резисторов;R 1 , R 2 - the resistance values of the first and second resistors;
С - емкость пьезоэлектрического датчика;С - capacitance of the piezoelectric sensor;
Ck - емкость кабеля;C k - cable capacity;
Свх - емкость входа усилителя.With I - the capacity of the input amplifier.
Недостатком устройства является малая точность преобразования силы давления в электрический сигнал. Указанный недостаток обусловлен зависимостью значений параметров С,Ck и Свх устройства от температуры и от времени.The disadvantage of this device is the low accuracy of converting pressure force into an electrical signal. This disadvantage is due to the dependence of the values of the parameters C, C k and C in device on the temperature and time.
Известно также устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика [Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерители физических величин // Л.:, Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 116, рис. 6б], которое принимаем за прототип. В этом устройстве первый электрод пьезоэлектрического датчика подключен первым проводом кабеля к отрицательному входу усилителя и к первым выводам первого конденсатора и первого резистора. Вторые выводы конденсатора и резистора подключены к выходу усилителя. Положительный вход усилителя через третий резистор соединен с общим проводом устройства, к которому подключен также другой электрод пьезоэлектрического датчика.It is also known a device for measuring the output signal of a piezoelectric sensor [ES Levshina, P.V. Novitsky. Electric meters of physical quantities // L.: Energoatomizdat, 1983, p. 116, fig. 6b], which is taken as a prototype. In this device, the first electrode of the piezoelectric sensor is connected by the first wire of the cable to the negative input of the amplifier and to the first terminals of the first capacitor and the first resistor. The second terminals of the capacitor and the resistor are connected to the output of the amplifier. The positive input of the amplifier through the third resistor is connected to the common wire of the device, to which another electrode of the piezoelectric sensor is also connected.
При действии переменных сил давления данное устройство усиливает напряжение, возникающее на пьезоэлектрическом датчике согласно выражению:Under the action of variable pressure forces, this device amplifies the voltage arising on the piezoelectric sensor according to the expression:
где: K - коэффициент преобразования устройства;where: K - device conversion factor;
Ky - коэффициент усиления усилителя;K y - amplifier gain;
C1 - емкость первого конденсатора.C 1 is the capacity of the first capacitor.
При коэффициенте усиления усилителя Ky>105 коэффициент преобразования устройства равен:When the amplifier gain K y > 10 5 the conversion factor of the device is equal to:
Недостатком устройства является малая точность. Указанный недостаток обусловлен:The disadvantage of this device is low accuracy. This disadvantage is due to:
- Наличием в выходном сигнале устройства составляющей погрешности, обусловленной появлением синфазных помех на входе усилителя, наводимых в кабеле при воздействии на устройство электрического и магнитного полей. В данном устройстве сигнал синфазной помехи воздействует только на один отрицательный вход усилителя. Потенциал на положительном входе обнуляется за счет соединения его через резистор с общим проводом. В результате на входе усилителя образуется разность напряжений, которая вносит в результаты измерений погрешность.- The presence in the output signal of the device component of the error due to the appearance of common mode noise at the input of the amplifier, induced in the cable when exposed to a device of electric and magnetic fields. In this device, the common mode signal affects only one negative input of the amplifier. The potential at the positive input is zeroed by connecting it through a resistor to the common wire. As a result, a voltage difference forms at the input of the amplifier, which introduces an error in the measurement results.
- Наличием в выходном сигнале устройства составляющей погрешности, обусловленной тепловыми шумами усилителя (явление известное из теории электронных устройств).- The presence in the output signal of the device component of the error due to thermal noise of the amplifier (a phenomenon known from the theory of electronic devices).
При напряжении выходного сигнала устройства:When the output voltage of the device:
где: U - напряжение на пьезоэлектрическом датчике,where: U is the voltage on the piezoelectric sensor,
составляющая напряжения от действия тепловых шумов усилителя будет определяться соотношением:the voltage component of the thermal noise of the amplifier will be determined by the ratio:
где: Uшу - напряжение источника тепловых шумов усилителя.where: U shu - voltage source of thermal noise of the amplifier.
При этом соотношение «сигнал-шум» на выходе устройства будет равно:In this case, the "signal-to-noise" ratio at the output of the device will be equal to:
Решаемая техническая проблема - совершенствование устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал.The solved technical problem is the improvement of the device for measuring the output signal of a piezoelectric sensor that converts the magnitude of the variable pressure forces into an electrical signal.
Достигаемый технический результат, обеспечиваемый изобретением - повышение точности устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал.Achievable technical result provided by the invention is to improve the accuracy of the device for measuring the output signal of a piezoelectric sensor that converts the magnitude of variable pressure forces into an electrical signal.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, содержащем первый пьезоэлектрический датчик, один электрод которого соединен первым проводом кабеля с отрицательным входом усилителя, с первыми выводами первого конденсатора и первого резистора, вторые выводы, которых подключены к выходу усилителя, положительный вход которого соединен через второй резистор с общим проводом устройства, введен второй конденсатор, первый вывод которого подключен к положительному входу усилителя, второй вывод, к общему проводу устройства, а второй электрод первого пьезоэлектрического датчика подключен через последовательно соединенные «n» пьезоэлектрических датчиков с положительным входом усилителя.The problem is solved in that in the known device for measuring the output signal of a piezoelectric sensor containing the first piezoelectric sensor, one electrode of which is connected by the first wire of the cable to the negative input of the amplifier, with the first terminals of the first capacitor and the first resistor, the second terminals of which are connected to the output of the amplifier The positive input of which is connected through the second resistor to the common wire of the device, a second capacitor is introduced, the first terminal of which is connected to the positive one ode amplifier, a second terminal to ground device, and the second electrode of the first piezoelectric sensor is connected via series connected «n» piezoelectric sensors to the positive input of the amplifier.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг. 1.The essence of the invention is illustrated by the scheme shown in FIG. one.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:FIG. 1 adopted the following notation:
D - первый пьезоэлектрический датчик;D - the first piezoelectric sensor;
n - количество последовательно соединенных пьезоэлектрических датчиков;n is the number of piezoelectric sensors connected in series;
1, 2 - провода кабеля;1, 2 - cable wires;
3 - эквивалентный источник тепловых шумов (введен в схему условно для пояснения принципа ее функционирования);3 - the equivalent source of thermal noise (introduced in the scheme conventionally to explain the principle of its operation);
4 - усилитель;4 - power;
5 - общий провод устройства;5 - common wire device;
C1, С2 - первый и второй конденсаторы, соответственно;C1, C2 - the first and second capacitors, respectively;
R1, R2 - первый и второй резисторы, соответственно.R1, R2 - the first and second resistors, respectively.
Как показано на фиг. 1 предлагаемое устройство состоит из первого пьезоэлектрического датчика D, который одним электродом через провод 1 кабеля соединен с первыми выводами первого резистора R1 и первого конденсатора С1, а также с отрицательным входом усилителя 4. Выход усилителя 4 является выходом устройства и соединен со вторыми выводами первого резистора R1 и первого конденсатора С1. Другой электрод первого пьезоэлектрического датчика D подключен через последовательно соединенных «n» (n - количество пьезоэлектрических датчиков) пьезоэлектрических датчиков и через провод 2 кабеля с положительным входом усилителя 4, а также с первыми выводами второго конденсатора С2 и второго резистора R2. Вторые выводы конденсатора С2 и резистора R2 подключены к общему проводу 5 устройства.As shown in FIG. 1, the proposed device consists of a first piezoelectric sensor D, which is connected to the first terminals of the first resistor R1 and the first capacitor C1 via the cable wire 1, as well as to the negative input of the amplifier 4. The output of the amplifier 4 is the output of the device and connected to the second terminals of the first resistor R1 and the first capacitor C1. The other electrode of the first piezoelectric sensor D is connected through the series-connected "n" (n is the number of piezoelectric sensors) piezoelectric sensors and through the wire 2 of the cable with the positive input of the amplifier 4, as well as with the first terminals of the second capacitor C2 and the second resistor R2. The second terminals of the capacitor C2 and the resistor R2 are connected to the common wire 5 of the device.
Работает устройство следующим образом. При воздействии на датчики переменных сил давления вырабатывается напряжение:The device works as follows. When acting on the sensors of variable pressure forces produced voltage:
где: U - напряжение на одном пьезоэлектрическом датчике.where: U - voltage on one piezoelectric sensor.
Данное напряжение в цепи датчиков создает ток IΣ:This voltage in the sensor circuit creates a current I Σ :
где ƒ - частота воздействия переменных сил давления, определяющая частоту сигнала на входе усилителя 4;where ƒ is the frequency of the impact of variable pressure forces, which determines the frequency of the signal at the input of the amplifier 4;
- суммарная емкость последовательно соединенных пьезоэлектрических датчиков. - total capacity of series-connected piezoelectric sensors.
На рабочих частотах, определяемых соотношением:At operating frequencies determined by the ratio:
при условии, что величины R1=R2, C1=C2, данный ток IΣ создает на конденсаторах С1 и С2 напряжения:provided that the values of R 1 = R 2 , C 1 = C 2 , this current I Σ creates a voltage on the capacitors C1 and C2:
где ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;where ρ is the charge on the piezoelectric sensor;
Выходное напряжение устройства при этом равно:The output voltage of the device is equal to:
Коэффициент преобразования устройства будет равен:The conversion factor of the device will be equal to:
Из сравнения коэффициентов преобразования предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип следует, что значение коэффициента предлагаемого устройства в два раза больше, чем устройства взятого за прототип. То есть, получаем повышение точности измерения слабых сигналов пьезоэлектрических датчиков.From a comparison of the conversion factors of the proposed device and the device taken as a prototype, it follows that the value of the coefficient of the proposed device is two times greater than the device taken as a prototype. That is, we obtain an increase in the accuracy of measuring weak signals of piezoelectric sensors.
Из сравнения функционирования предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип в условиях воздействия магнитного и электрического полей следует:From the comparison of the functioning of the proposed device and the device taken as a prototype under the influence of magnetic and electric fields it follows:
При воздействия на предлагаемое устройство магнитного и электрического полей в проводах 1 и 2 кабеля появляется синфазная помеха. Синфазная помеха, действующая на провода 1 и 2 кабеля в виде одинаковых напряжений, поступает одновременно на положительный и отрицательный входы усилителя 4. При равных значениях емкостей С1 и С2 и сопротивлений резисторов R1 и R2 эти помехи не создают дополнительной разницы напряжений на входе усилителя 4 и его выходной сигнал не меняется.When exposed to the proposed device magnetic and electric fields in the wires 1 and 2 of the cable appears in-phase interference. Common mode interference acting on wires 1 and 2 of the cable in the form of identical voltages is simultaneously applied to the positive and negative inputs of amplifier 4. With equal values of capacitances C 1 and C 2 and the resistances of resistors R1 and R2, this interference does not create an additional voltage difference at the amplifier 4 and its output does not change.
В способе, взятом за прототип, помеха поступает только на один вход, что является источником появления составляющей погрешности.In the method, taken as a prototype, the interference comes only at one input, which is the source of the appearance of the error component.
То есть, получаем повышение точности измерения выходного сигнала пьезоэлектрических датчиков в условиях воздействия магнитного и электрического полей.That is, we obtain an increase in the accuracy of measuring the output signal of piezoelectric sensors under the influence of magnetic and electric fields.
Из сравнения соотношения «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип следует:From the comparison of the signal-to-noise ratio at the output of the proposed device and the device taken as a prototype follows:
- При работе предлагаемого устройства в усилителе 4 возникают тепловые шумы. Напряжение тепловых шумов на выходе устройства определяется соотношением:- When the proposed device in the amplifier 4, there are thermal noises. The voltage of thermal noise at the output of the device is determined by the ratio:
Соотношение «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства равно:The signal-to-noise ratio at the output of the proposed device is:
Из сравнения коэффициентов δ1 и δ2, характеризующих соотношение «сигнал-шум» устройства взятого за прототип и предлагаемого устройства:From the comparison of the coefficients δ 1 and δ 2 characterizing the signal-to-noise ratio of the device taken as a prototype and the proposed device:
следует, что соотношение «сигнал-шум» предлагаемого устройства в (n+1) раз больше, чем устройства взятого за прототип. Это позволяет в предлагаемом устройстве уменьшить составляющую погрешности, обусловленную тепловыми шумами, повысить его точность. Таким образом, заявляемый технический результат достигнут.it follows that the signal-to-noise ratio of the proposed device is (n + 1) times greater than the device taken as a prototype. This allows in the proposed device to reduce the component of the error due to thermal noise, to increase its accuracy. Thus, the claimed technical result achieved.
На предприятии предлагаемое устройство изготовлено, проведены его испытания и получены положительные результаты. В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования предлагаемого технического решения при производстве и эксплуатации гидроакустических систем.At the enterprise, the proposed device has been manufactured, tested, and positive results have been obtained. At present, technical documentation is being developed for the use of the proposed technical solution in the production and operation of hydroacoustic systems.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017141083A RU2670712C9 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017141083A RU2670712C9 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2670712C1 true RU2670712C1 (en) | 2018-10-24 |
RU2670712C9 RU2670712C9 (en) | 2018-11-29 |
Family
ID=63923442
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017141083A RU2670712C9 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2670712C9 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099678C1 (en) * | 1993-08-05 | 1997-12-20 | Рустам Анисович Шакиров | Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer |
US5806364A (en) * | 1995-12-21 | 1998-09-15 | Denso Corporation | Vibration-type angular velocity detector having sensorless temperature compensation |
RU2554624C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method of measurement of physical non-electrical quantity |
-
2017
- 2017-11-24 RU RU2017141083A patent/RU2670712C9/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099678C1 (en) * | 1993-08-05 | 1997-12-20 | Рустам Анисович Шакиров | Pizoelectric pressure-to-electric signal transducer |
US5806364A (en) * | 1995-12-21 | 1998-09-15 | Denso Corporation | Vibration-type angular velocity detector having sensorless temperature compensation |
RU2554624C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method of measurement of physical non-electrical quantity |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерители физических величин // Л.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 116, рис. 6б. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2670712C9 (en) | 2018-11-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103460058B (en) | Method and the equipment of the electromotive force of object is contactlessly determined by two different values of electric current | |
CN103560760B (en) | Amplifying circuit and measuring device | |
CN107209211B (en) | electronic integrator for rogowski coil sensors | |
CN103235189A (en) | High-precision micro resistor measurement method based on double-current voltage ratio method and measurement system for realizing method | |
CN107843744A (en) | The Wavelength demodulation system and Wavelength demodulation method of optical fibre grating acceleration sensor | |
CN108036804A (en) | A kind of device adjusted for resistance strain gage output | |
CN113406708B (en) | Electrode range eliminating system and method for electromagnetic prospecting electric field measurement | |
RU2670712C1 (en) | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor | |
EP1914531A2 (en) | Deformation detection sensor | |
US9383860B2 (en) | Capacitance processing circuit and a MEMS device | |
US11761808B2 (en) | Sensor device for detecting electrically conductive media, and method for operating the sensor device | |
CN103954851A (en) | Noise coefficient measuring method and noise coefficient standard device | |
EP3029444A1 (en) | Capacitive sensor | |
RU2715345C1 (en) | Piezoelectric measuring transducer | |
CN210401507U (en) | Device for measuring polarization transient state of dielectric material in time domain | |
CN109307883B (en) | Low-frequency temperature compensation regulating circuit of detector | |
CN113155159A (en) | Bridge type detector | |
CN110824250A (en) | Device for measuring inductance L and ESR in large frequency range | |
CN105785134B (en) | Unpolarizable electrode ground resistance measurement method | |
RU2534455C1 (en) | Fast-response transducer of physical magnitudes with potential output | |
RU2815862C1 (en) | Piezoelectric shock wave pressure sensor | |
Khan et al. | Investigations on Noise Level in AC-and DC-Bridge Circuits for Sensor Measurement Systems | |
RU2366965C1 (en) | Semi-bridge converter of resistance increment into voltage | |
Barile et al. | A novel interface architecture for differential capacitive sensors | |
CN210572495U (en) | Self-measuring circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification |