RU2670712C9 - Device for measuring output signal of piezoelectric sensor - Google Patents
Device for measuring output signal of piezoelectric sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2670712C9 RU2670712C9 RU2017141083A RU2017141083A RU2670712C9 RU 2670712 C9 RU2670712 C9 RU 2670712C9 RU 2017141083 A RU2017141083 A RU 2017141083A RU 2017141083 A RU2017141083 A RU 2017141083A RU 2670712 C9 RU2670712 C9 RU 2670712C9
- 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 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Images
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 measuring equipment, namely, 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 for measuring the output signal of a piezoelectric sensor [ES 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 by the first wire of the cable is connected to the positive input of the amplifier. 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 by the second wire of the cable is connected to the common wire of the device, which is connected through the third resistor to the positive input of the amplifier. This device amplifies the voltage that occurs on the piezoelectric sensor when exposed to a variable pressure force, according to the expression:
где: К - коэффициент преобразования устройства;where: K is the conversion coefficient of the device;
Uвых - напряжение на выходе усилителя;U o - 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 - resistance values of the first and second resistors;
С - емкость пьезоэлектрического датчика;C is the capacity of the piezoelectric sensor;
Ck - емкость кабеля;C k is the cable capacity;
Свх - емкость входа усилителя.C in - the input capacity of the 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 the conversion of pressure to an electrical signal. This drawback is due to the dependence of the values of the parameters C, C k and C in the device from 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.A device is also 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. 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 resistor are connected to the output of the amplifier. The positive input of the amplifier through a third resistor is connected to the common wire of the device, to which is also connected another electrode of the piezoelectric sensor.
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 is the conversion coefficient of the device;
Ky - коэффициент усиления усилителя;K y is the gain of the amplifier;
C1 - емкость первого конденсатора.C 1 is the capacitance of the first capacitor.
При коэффициенте усиления усилителя Ky>105 коэффициент преобразования устройства равен:When the gain of the amplifier K y > 10 5, the conversion coefficient of the device is:
Недостатком устройства является малая точность. Указанный недостаток обусловлен:The disadvantage of this device is the low accuracy. The specified 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 error due to the appearance of common-mode noise at the input of the amplifier induced in the cable when exposed to electric and magnetic fields. In this device, the common mode interference signal affects only one negative input of the amplifier. The potential at the positive input is nullified by connecting it through a resistor to a common wire. As a result, a voltage difference is formed 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 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 at the piezoelectric sensor,
составляющая напряжения от действия тепловых шумов усилителя будет определяться соотношением:the voltage component from the action of thermal noise of the amplifier will be determined by the ratio:
где: Uшу - напряжение источника тепловых шумов усилителя.where: U shu is the voltage of the thermal noise source 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 technical problem to be solved is the improvement of a device for measuring the output signal of a piezoelectric sensor, which 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.The technical result achieved by the invention is to increase the accuracy of the device for measuring the output signal of a piezoelectric sensor, which converts the magnitude of the 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 a first piezoelectric sensor, one electrode of which is connected by a first cable lead to a negative input of the amplifier, with the first terminals of the first capacitor and the first resistor, the second terminals 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 output of which is connected to the positive 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 circuit shown in FIG. one.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 adopted the following notation:
D - первый пьезоэлектрический датчик;D is 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 - an equivalent source of thermal noise (introduced into the circuit conditionally to explain the principle of its functioning);
4 - усилитель;4 - amplifier;
5 - общий провод устройства;5 - a common wire of the device;
C1, С2 - первый и второй конденсаторы, соответственно;C1, C2 are the first and second capacitors, respectively;
R1, R2 - первый и второй резисторы, соответственно.R1, R2 are 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 by a single electrode through a
Работает устройство следующим образом. При воздействии на датчики переменных сил давления вырабатывается напряжение:The device operates as follows. When exposed to sensors of variable pressure forces generated voltage:
где: U - напряжение на одном пьезоэлектрическом датчике.where: U is the 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 exposure to variable pressure forces, which determines the frequency of the signal at the input of
- суммарная емкость последовательно соединенных пьезоэлектрических датчиков. - the total capacity of the 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 voltage on 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 coefficient 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 coefficients of the proposed device and the device taken as a prototype, it follows that the coefficient value of the proposed device is two times greater than the device taken as a prototype. That is, we get 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 a 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
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 enters only one input, which is the source of the appearance of the component error.
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 a 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 is in the
Соотношение «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства равно:The ratio of "signal to noise" at the output of the proposed device is equal to:
Из сравнения коэффициентов δ1 и δ2, характеризующих соотношение «сигнал-шум» устройства взятого за прототип и предлагаемого устройства:From a 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 the proposed device to reduce the error component due to thermal noise, to increase its accuracy. Thus, the claimed technical result is 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 is manufactured, its tests are carried out and positive results are obtained. Currently, technical documentation is being developed for using the proposed technical solution in the production and operation of sonar 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 RU2670712C1 (en) | 2018-10-24 |
RU2670712C9 true 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 |
---|---|
RU2670712C1 (en) | 2018-10-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101274821B1 (en) | Electronic device, and open circuit detecting system, detecting method thereof | |
CN103560760B (en) | Amplifying circuit and measuring device | |
CN107209211B (en) | electronic integrator for rogowski coil sensors | |
US20130207674A1 (en) | Detecting a Dielectric Article | |
CN100454028C (en) | Impedance measuring circuit, its method, and capacitance measuring circuit | |
DE102017216629A1 (en) | System and method for compensation of power supply ripple | |
RU2011105193A (en) | PRELIMINARY SENSOR FOR ELECTRIC VALUES | |
EP1426771B1 (en) | Impedance measuring circuit and capacitance measuring circuit | |
RU2670712C9 (en) | Device for measuring output signal of piezoelectric sensor | |
CN106788327B (en) | Sensor circuit for both contact and non-contact detection | |
EP1914531A2 (en) | Deformation detection sensor | |
US8466748B2 (en) | Amplifier circuit and method for conditioning an output current signal of a detector element | |
US9383860B2 (en) | Capacitance processing circuit and a MEMS device | |
RU2715345C1 (en) | Piezoelectric measuring transducer | |
RU2461010C1 (en) | Bridge circuit for measuring parameters of two-terminal devices | |
KR101001865B1 (en) | Contactless sensor circuit | |
CN111307026A (en) | Charge-discharge type capacitive sensor based on diode switch | |
CN110824250A (en) | Device for measuring inductance L and ESR in large frequency range | |
RU2534455C1 (en) | Fast-response transducer of physical magnitudes with potential output | |
Barile et al. | A novel interface architecture for differential capacitive sensors | |
US10809827B2 (en) | Pointing stick module and controller | |
RU2532695C1 (en) | Bridge measuring device of parameters of bipoles | |
RU2644531C1 (en) | Differentiator | |
JP2018091798A (en) | Moisture content detector | |
KR20100107101A (en) | Contactless sensor circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification |