RU2715345C1 - Пьезоэлектрический измерительный преобразователь - Google Patents
Пьезоэлектрический измерительный преобразователь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2715345C1 RU2715345C1 RU2019125070A RU2019125070A RU2715345C1 RU 2715345 C1 RU2715345 C1 RU 2715345C1 RU 2019125070 A RU2019125070 A RU 2019125070A RU 2019125070 A RU2019125070 A RU 2019125070A RU 2715345 C1 RU2715345 C1 RU 2715345C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- amplifier
- operational amplifier
- resistor
- wire
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относятся к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам электрических измерений неэлектрических величин, и может быть использовано для измерения виброускорений промышленных объектов, а также для вибрационного анализа и вибромониторинга промышленного оборудования в условиях высоких промышленных наводок и помех. Пьезоэлектрический измерительный преобразователь содержит пьезодатчик и усилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе преобразователя и включает усилительный элемент, общий провод и сигнальный провод, а вторая часть усилителя расположена вне корпуса и включает источник тока, катод которого соединен с сигнальным проводом и с регистратором, при этом анод источника тока соединен с источником питания. В качестве усилительного элемента использован операционный усилитель, дополнительно введены стабильный источник напряжения, четыре резистора и конденсатор, соединенные согласно схеме устройства на фиг.1. Техническим результатом является создание пьезоэлектрического измерительного преобразователя с фиксированным коэффициентом передачи и высокой температурной стабильностью выходных параметров. 1 ил.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для измерения параметров динамических механических величин. [МПК G01Р15/09, G01Н10/08]
Известны пьезоэлектрические преобразователи, (см. описания изобретений к авторским свидетельствам: № 885899 от 16.07.1979, МКИ G01P 15/09, «Пьезоэлектрический преобразователь», опубл. 30.10.1981 и RU № 2106642 С1 от 22.03.1996, МПК G01P 15/09, «Пьезоэлектрический преобразователь», опубл. 10.03.1998.), состоящие из корпуса со стойкой, имеющей резьбу на верхнем конце, а также пьезоэлектрических шайб и инерционной массы, которые надеты на стойку, пьезоэлектрические шайбы и инерционная масса прижаты при помощи гайки к основанию преобразователя.
Недостатком таких устройств является высокая чувствительность к промышленным наводкам и помехам. Кроме того, для передачи сигнала необходимо использовать антивибрационный кабель, имеющий высокую стоимость. Эти недостатки не позволяют широко использовать преобразователи для вибродиагностики промышленного оборудования, эксплуатируемого в условиях высоких электромагнитных наводок и помех.
Известен пьезоэлектрический измерительный преобразователь, (см. описание изобретения к патенту RU: № 2400867 C1 от 04.03.2009, МПК H01L41/08, G01P 15/09, «Пьезоэлектрический измерительный преобразователь», опубл. 27.09.2009.), содержащий пьезоэлектрические элементы и усилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе преобразователя и включает усилительный элемент, общий провод, сигнальный провод, первый электрод пьезоэлектрических элементов соединен с входом усилительного элемента, а вторая часть усилителя расположена вне корпуса и включает источник тока, катод которого соединен с сигнальным проводом и с регистратором, при этом анод источника тока соединен соответственно с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен с общим проводом. В качестве усилительного элемента в прототипе используется полевой транзистор. Использование электронных компонентов позволяет поднять чувствительность устройства, снизить уровень наводок, использовать обычный кабель для передачи информации.
Основной технической проблемой прототипа являются большой разброс коэффициента передачи, низкая температурная стабильность выходного переменного сигнала и высокий дрейф выходного постоянного напряжения, обусловленные тем, что параметры полевых транзисторов и, следовательно, коэффициент передачи схемы имеют большой статистический разброс, а также сильную зависимость от температуры и величины рабочего тока источника тока.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является создание пьезоэлектрического измерительного преобразователя с фиксированным коэффициентом передачи и высокой температурной стабильностью выходных параметров.
Указанный технический результат изобретения достигается за счет того, что пьезоэлектрический измерительный преобразователь, содержащий пьезодатчик и усилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе пьезоэлектрического измерительного преобразователя и включает усилительный элемент, общий провод, сигнальный провод, первый электрод пьезодатчика соединен с входом усилительного элемента, а вторая часть усилителя расположена вне корпуса и включает источник тока, катод которого соединен с сигнальным проводом и с регистратором, анод источника тока соединен с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен с общим проводом, отличающийся тем, что в качестве усилительного элемента использован операционный усилитель, дополнительно введены стабильный источник напряжения, вывод положительного питания которого соединен с сигнальным проводом, вывод отрицательного питания с общим проводом измерителя, четыре резистора и конденсатор, первый вывод которого соединен с общим проводом, второй вывод соединен с сигнальным проводом, первый вывод первого резистора соединен со вторым электродом пьезодатчика, с выходом стабильного источника напряжения и с первым выводом второго резистора, второй вывод первого резистора соединен с первым электродом пьезодатчика и с неинвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод второго резистора соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов и с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод третьего резистора соединен с общим проводом, второй вывод четвертого резистора соединен с выходом операционного усилителя, с выводом положительного питания операционного усилителя и с сигнальным проводом, а вывод отрицательного питания операционного усилителя соединен с общим проводом.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 приведена схема пьезоэлектрического измерительного преобразователя, в котором реализовано предлагаемое техническое решение.
На фигуре обозначено: 1 – пьезодатчик, 2 – резистор, 3 – высокостабильный источник напряжения, 4 и 5 – резисторы, 6 – операционный усилитель, 7 – резистор, 8 – конденсатор, 9 – источник тока, 10 – источник питания, 11 – сигнальный провод, 12 – общий провод, 13 – резистор.
Осуществление изобретения.
Устройство содержит пьезодатчик 1 и усилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе преобразователя и включает операционный усилитель 6, высокостабильный источник напряжения 3 резисторы 2, 4 , 5, 7, конденсатор 8, общий провод 12 , сигнальный провод 11, первый вывод первого резистора 2 соединен со вторым электродом пьезодатчика 1, с выходом высокостабильного источника напряжения 3 и с первым выводом второго резистора 4, второй вывод первого резистора 2 соединен с первым электродом пьезодатчика 1 и с неинвертирующим входом 3 операционного усилителя 6, второй вывод второго резистора 4 соединен с первыми выводами третьего 5 и четвертого 7 резисторов и с инвертирующим входом 4 операционного усилителя 6, второй вывод третьего резистора 5 соединен с общим проводом 12, второй вывод четвертого резистора 7 соединен с выходом 1 операционного усилителя 6, с выводом положительного питания 5 операционного усилителя 6 и с сигнальным проводом 11, а вывод отрицательного питания 2 операционного усилителя 6 соединен с общим проводом 12, вторая часть усилителя расположена вне корпуса и включает источник тока 9, катод которого соединен с сигнальным проводом 11 и с регистратором 13, при этом анод источника тока 9 соединен соответственно с первым выводом источника питания 10, второй вывод которого соединен с общим проводом 12.
Преобразователь работает следующим образом (см. фиг. 1). При наличии ускорения вдоль оси чувствительности пьезодатчика 1 в нем в результате механического напряжения возникает поляризация, а на обкладках пьезодатчика возникает заряд, а, следовательно, напряжение, которое подается на вход усилителя. Используемый в прототипе полевой транзистор и схема его включения не обеспечивают постоянства коэффициента передачи и достаточной температурной стабильности.
В предлагаемом устройстве в соответствии с формулой изобретения применен операционный усилитель 6 и специальная схема его включения, обеспечивающая питание операционного усилителя 6 и вывод выходного сигнала по одному и тому же сигнальному проводу 11. Схема питается от стабильного источника тока 9. Потребляемый источником напряжения 3 и операционным усилителем 6 ток более чем на порядок меньше тока, выдаваемого источником тока 9. Поэтому практически весь ток, получаемый с источника тока 9, обеспечивает передачу сигнала по высокой частоте в сигнальный провод 11 . Величины третьего 5 и четвертого резистора 7 рассчитываются так, чтобы обеспечить необходимое постоянное напряжение на сигнальном проводе 11, не зависящее от температуры и тока источника тока 9 .
Выходное напряжение устройства по постоянному току равно
Здесь: U out - постоянное напряжение на выходе операционного усилителя 6,
V1 – выходное напряжение высокоточного источника напряжения 3,
R7 и R5 – соответственно, четвертое 7 и третье 5 сопротивления.
Резисторы второй 4, третий 5 и четвертый 7 обеспечивают требуемый коэффициент преобразования по переменному сигналу пьезоэлектрического измерительного преобразователя. Переменное напряжение с вывода 1 пьезоэлементов 1 поступает на вход 3 операционного усилителя 6 усиливается до необходимой величины U out и с выхода 1 операционного усилителя 6 передается на сигнальный провод 11 и далее на регистратор 13. Таким образом, по сигнальному проводу 11 подается питание на схему и с него же передается информативное переменное напряжение сигнала, пропорциональное ускорению пьезодатчика 1, на регистратор 13. Все элементы схемы имеют высокую температурную стабильность, а коэффициент усиления схемы не зависит от температуры и тока.
Выходное напряжение устройства по переменному току равно
Здесь: U out - переменное напряжение на выходе операционного усилителя 6,
a – ускорение пьезодатчика 1, [ м/с2 ] – измеряемая величина,
k –чувствительность пьезодатчика 1, [ пКл/м*с-2], (пКл - пикокулон),
С- емкость пьезодатчика 1 [ пФ],
R4 – второе 4 сопротивление.
Нижняя граничная частота схемы определяется сопротивлением первого резистора 2 и емкостью пьезодатчика 1. Конденсатор 8 обеспечивает устойчивость схемы и определяет верхнюю граничную частоту устройства.
Таким образом, решена цель изобретения – создание пьезоэлектрического измерительного преобразователя, который обеспечивает фиксированный, независимый от температуры и тока коэффициент передачи и высокую температурную стабильность выходных параметров.
Все примененные узлы и элементы широко описаны в технической литературе и легко могут быть реализованы.
В целях подтверждения осуществимости заявленного устройства и достигнутого технического результата изготовлены из нержавеющей стали и испытаны пять опытных образцов пьезоэлектрических измерительных преобразователей, построенных на основе пьезокерамики ЦТС83Г. Чувствительность пьезодатчика 2,7 пКл/м∙с-2., емкость 3000 пФ. Все эти пьезоэлектрические измерительные преобразователи имеют, встроенные платы, на которых реализована первая часть электрической схемы фиг. 1. В качестве источника напряжения 3 применен опорный источник фирмы MAXIM Max6035AAUR25 c выходным напряжением 2.5 В. Первый резистор 2 имеет номинал 47 Мом. Второй 4 имеет номинал 130 К и третий резисторы 5 - 287 Ком. Величина четвертого резистора 7 выбрана 1 Мом. Операционный усилитель производства фирмы Analog Device AD8663ACPZ.
Выходное постоянное напряжение на сигнальном проводе 11 равно 11,2 В. Конденсатор 9 NPO имеет емкость 6800пФ и устраняет самовозбуждение усилителя. Вторая часть схемы реализована в отдельном корпусе. В качестве источника тока 9 с выходными токами от 2,0, мА до 12 ма использована микросхема LM334M фирмы National Semiconductor. В качестве источника питания 10 применен источник АКИП1102. Изготовленные устройства испытывались в температурном диапазоне от -40С до +85 С в климатической камере на вибростенде в широком диапазоне вибрационных частот. Получены следующие технические характеристики при напряжении питания 24 в.
Коэффициент преобразования 100мВ/g
Максимальная амплитуда гармонического сигнала ± 5 В при коэффициенте нелинейных искажений менее 1 % в диапазоне частот 5 Гц – 10 кГц.
Температурная погрешность коэффициента усиления ± 5% в диапазоне температур от минус 40 до плюс 85° С, что соответствует погрешности коэффициента преобразования пьезоэлементов.
Уход постоянного напряжения на сигнальном проводе в диапазоне температур минус 40 до плюс 85° С и выходными токами от 2,0, мА до 12 ма не более 50мВ
Проведенные испытания показали осуществимость заявленного устройства, подтвердили его преимущества и практическую ценность.
Пьезоэлектрический измерительный преобразователь может быть использован для измерения параметров динамических механических величин, в том числе может широко применяться для вибрационного анализа и вибромониторинга промышленного оборудования.
Ниже раскрывается наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым результатом.
Во-первых, впервые предложено устройство пьезоэлектрического преобразователя с встроенным усилителем, выполненным на операционном усилителе по схеме, в которой питание и выходной сигнал передаются по одному и тому же сигнальному проводу.
Во-вторых, применение устройства по предложенной схеме позволяет сделать коэффициент передачи устройства высокостабильным, зависящим только от соотношения номиналов резисторов.
В-третьих, применение такого устройства позволяет существенно увеличить температурную стабильность выходных параметров за счет сверхмалых величин токов смещения современных операционных усилителей и температурно стабильного коэффициента передачи.
В – четвертых, выходные напряжение и коэффициент передачи схемы не зависят от величины заданного тока источника тока.
Таким образом, новая совокупность всех существенных признаков в заявляемом устройстве обеспечивает достижение следующего результата: питание и выходной сигнал передаются по одному и тому же сигнальному проводу, фиксированный коэффициент передачи сигнала, независимость постоянного выходного напряжения от величины выходного тока источника тока и высокая температурная стабильность всех выходных параметров.
Claims (1)
- Пьезоэлектрический измерительный преобразователь, содержащий пьезодатчик и усилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе пьезоэлектрического измерительного преобразователя и включает усилительный элемент, общий провод, сигнальный провод, первый электрод пьезодатчика соединен с входом усилительного элемента, а вторая часть усилителя расположена вне корпуса и включает источник тока, катод которого соединен с сигнальным проводом и с регистратором, анод источника тока соединен с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен с общим проводом, отличающийся тем, что в качестве усилительного элемента использован операционный усилитель, дополнительно введены стабильный источник напряжения, вывод положительного питания которого соединен с сигнальным проводом, вывод отрицательного питания с общим проводом измерителя, четыре резистора и конденсатор, первый вывод которого соединен с общим проводом, второй вывод соединен с сигнальным проводом, первый вывод первого резистора соединен со вторым электродом пьезодатчика, с выходом стабильного источника напряжения и с первым выводом второго резистора, второй вывод первого резистора соединен с первым электродом пьезодатчика и с неинвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод второго резистора соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов и с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод третьего резистора соединен с общим проводом, второй вывод четвертого резистора соединен с выходом операционного усилителя, с выводом положительного питания операционного усилителя и с сигнальным проводом, а вывод отрицательного питания операционного усилителя соединен с общим проводом.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019125070A RU2715345C1 (ru) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019125070A RU2715345C1 (ru) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2715345C1 true RU2715345C1 (ru) | 2020-02-26 |
Family
ID=69631085
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019125070A RU2715345C1 (ru) | 2019-08-07 | 2019-08-07 | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2715345C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112834018A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-05-25 | 哈尔滨工大正元信息技术有限公司 | 一种助航灯工作状态的检测方法、存储介质和电子设备 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0763783A (ja) * | 1993-08-26 | 1995-03-10 | Murata Mfg Co Ltd | 加速度センサ |
RU2152621C1 (ru) * | 1999-03-29 | 2000-07-10 | ООО "ГлобалТест" | Пьезоэлектрический акселерометр |
RU2400867C1 (ru) * | 2009-03-04 | 2010-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ГлобалТест" | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь |
RU2402019C1 (ru) * | 2009-03-18 | 2010-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ТИК" (ООО НПП "ТИК") | Пьезоэлектрический акселерометр |
RU140046U1 (ru) * | 2013-10-17 | 2014-04-27 | Закрытое акционерное общество "Вибро-прибор" | Пьезоэлектрический акселерометр |
US9057655B2 (en) * | 2012-08-31 | 2015-06-16 | Meggitt Sa | Force sensor and method for testing its reliability |
-
2019
- 2019-08-07 RU RU2019125070A patent/RU2715345C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0763783A (ja) * | 1993-08-26 | 1995-03-10 | Murata Mfg Co Ltd | 加速度センサ |
RU2152621C1 (ru) * | 1999-03-29 | 2000-07-10 | ООО "ГлобалТест" | Пьезоэлектрический акселерометр |
RU2400867C1 (ru) * | 2009-03-04 | 2010-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ГлобалТест" | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь |
RU2402019C1 (ru) * | 2009-03-18 | 2010-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "ТИК" (ООО НПП "ТИК") | Пьезоэлектрический акселерометр |
US9057655B2 (en) * | 2012-08-31 | 2015-06-16 | Meggitt Sa | Force sensor and method for testing its reliability |
RU140046U1 (ru) * | 2013-10-17 | 2014-04-27 | Закрытое акционерное общество "Вибро-прибор" | Пьезоэлектрический акселерометр |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112834018A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-05-25 | 哈尔滨工大正元信息技术有限公司 | 一种助航灯工作状态的检测方法、存储介质和电子设备 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100715062B1 (ko) | 정전 용량 검출 회로, 정전 용량 검출 장치 및 마이크로폰장치 | |
EP1426772B1 (en) | Impedance measuring circuit, its method, and capacitance measuring circuit | |
RU2715345C1 (ru) | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь | |
RU2011105193A (ru) | Предварительно настраиваемый датчик для электрических величин | |
EP1426771B1 (en) | Impedance measuring circuit and capacitance measuring circuit | |
JPH07500419A (ja) | 自己診断機能付きpHセンサ | |
RU140046U1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
US9939315B2 (en) | Two-wire electronics interface sensor with integrated mechanical transducing and temperature monitoring capability | |
Shenil et al. | An auto-balancing scheme for non-contact ac voltage measurement | |
RU2701207C1 (ru) | Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов | |
JP2010237028A (ja) | 湿度計測装置 | |
RU2813636C1 (ru) | Комплекс устройств для измерения параметров механических колебаний объектов с компенсацией температурной погрешности | |
CN102080994A (zh) | 应变桥电路的隔离测量技术 | |
CN112526439A (zh) | 一种标准电压/电荷转换器校准装置 | |
JP4071582B2 (ja) | インピーダンス検出回路及びその方法 | |
RU2698505C1 (ru) | Устройство для измерения сопротивления изоляции | |
RU2670712C1 (ru) | Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика | |
Cirstea et al. | An inductive system for measuring microampere currents | |
US11719597B2 (en) | Measuring system and method for measuring the displacement of at least one point of a bridge | |
RU207514U1 (ru) | Пьезоэлектрический акселерометр | |
RU2147119C1 (ru) | Датчик давления | |
RU2366965C1 (ru) | Полумостовой преобразователь приращения сопротивления в напряжение | |
KR20040063996A (ko) | 이중 구배 출력을 갖는 압력 변환기 | |
SU1538055A1 (ru) | Емкостной компенсационный уровнемер | |
JP2018205032A (ja) | 帯電プレートモニタ装置 |