RU2670712C9 - Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика - Google Patents
Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика 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
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам с пьезоэлектрическим датчиком, которые преобразуют величину переменных сил давления в электрический сигнал. Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика содержит 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 положительному входу усилителя. Изобретение обеспечивает повышение точности устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам с пьезоэлектрическим датчиком, которые преобразуют величину переменных сил давления в электрический сигнал.
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:
где: К - коэффициент преобразования устройства;
Uвых - напряжение на выходе усилителя;
ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;
R1, R2 - величины сопротивлений первого и второго резисторов;
С - емкость пьезоэлектрического датчика;
Ck - емкость кабеля;
Свх - емкость входа усилителя.
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.
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.
При действии переменных сил давления данное устройство усиливает напряжение, возникающее на пьезоэлектрическом датчике согласно выражению:
где: K - коэффициент преобразования устройства;
Ky - коэффициент усиления усилителя;
C1 - емкость первого конденсатора.
При коэффициенте усиления усилителя Ky>105 коэффициент преобразования устройства равен:
Недостатком устройства является малая точность. Указанный недостаток обусловлен:
- 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.
- Наличием в выходном сигнале устройства составляющей погрешности, обусловленной тепловыми шумами усилителя (явление известное из теории электронных устройств).
При напряжении выходного сигнала устройства:
где: U - напряжение на пьезоэлектрическом датчике,
составляющая напряжения от действия тепловых шумов усилителя будет определяться соотношением:
где: Uшу - напряжение источника тепловых шумов усилителя.
При этом соотношение «сигнал-шум» на выходе устройства будет равно:
Решаемая техническая проблема - совершенствование устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал.
Достигаемый технический результат, обеспечиваемый изобретением - повышение точности устройства для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, преобразующего величину переменных сил давления в электрический сигнал.
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.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, приведенной на фиг. 1.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
D - первый пьезоэлектрический датчик;
n - количество последовательно соединенных пьезоэлектрических датчиков;
1, 2 - провода кабеля;
3 - эквивалентный источник тепловых шумов (введен в схему условно для пояснения принципа ее функционирования);
4 - усилитель;
5 - общий провод устройства;
C1, С2 - первый и второй конденсаторы, соответственно;
R1, R2 - первый и второй резисторы, соответственно.
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.
Работает устройство следующим образом. При воздействии на датчики переменных сил давления вырабатывается напряжение:
где: U - напряжение на одном пьезоэлектрическом датчике.
Данное напряжение в цепи датчиков создает ток IΣ:
где ƒ - частота воздействия переменных сил давления, определяющая частоту сигнала на входе усилителя 4;
На рабочих частотах, определяемых соотношением:
при условии, что величины R1=R2, C1=C2, данный ток IΣ создает на конденсаторах С1 и С2 напряжения:
где ρ - заряд на пьезоэлектрическом датчике;
Выходное напряжение устройства при этом равно:
Коэффициент преобразования устройства будет равен:
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.
Из сравнения функционирования предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип в условиях воздействия магнитного и электрического полей следует:
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.
В способе, взятом за прототип, помеха поступает только на один вход, что является источником появления составляющей погрешности.
То есть, получаем повышение точности измерения выходного сигнала пьезоэлектрических датчиков в условиях воздействия магнитного и электрического полей.
Из сравнения соотношения «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства и устройства взятого за прототип следует:
- При работе предлагаемого устройства в усилителе 4 возникают тепловые шумы. Напряжение тепловых шумов на выходе устройства определяется соотношением:
Соотношение «сигнал-шум» на выходе предлагаемого устройства равно:
Из сравнения коэффициентов δ1 и δ2, характеризующих соотношение «сигнал-шум» устройства взятого за прототип и предлагаемого устройства:
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.
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.
Claims (1)
- Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика, содержащее 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, отличающийся тем, что 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 к положительному входу усилителя.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141083A RU2670712C9 (ru) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141083A RU2670712C9 (ru) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2670712C1 RU2670712C1 (ru) | 2018-10-24 |
| RU2670712C9 true RU2670712C9 (ru) | 2018-11-29 |
Family
ID=63923442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017141083A RU2670712C9 (ru) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2670712C9 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2099678C1 (ru) * | 1993-08-05 | 1997-12-20 | Рустам Анисович Шакиров | Пьезоэлектрический преобразователь давления в электрический сигнал |
| US5806364A (en) * | 1995-12-21 | 1998-09-15 | Denso Corporation | Vibration-type angular velocity detector having sensorless temperature compensation |
| RU2554624C1 (ru) * | 2014-02-12 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Способ измерения физической неэлектрической величины |
-
2017
- 2017-11-24 RU RU2017141083A patent/RU2670712C9/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2099678C1 (ru) * | 1993-08-05 | 1997-12-20 | Рустам Анисович Шакиров | Пьезоэлектрический преобразователь давления в электрический сигнал |
| US5806364A (en) * | 1995-12-21 | 1998-09-15 | Denso Corporation | Vibration-type angular velocity detector having sensorless temperature compensation |
| RU2554624C1 (ru) * | 2014-02-12 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Способ измерения физической неэлектрической величины |
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 (ru) | 2018-10-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101274821B1 (ko) | 전자 장치, 개방 회로 검출 시스템, 및 개방 회로의 검출 방법 | |
| CN103560760B (zh) | 放大电路以及测量装置 | |
| CN107209211B (zh) | 用于罗戈夫斯基线圈传感器的电子积分器 | |
| US20130207674A1 (en) | Detecting a Dielectric Article | |
| CN100454028C (zh) | 阻抗检测电路及其方法 | |
| DE102017216629A1 (de) | System und Verfahren zur Kompensation von Energieversorgungswelligkeit | |
| RU2011105193A (ru) | Предварительно настраиваемый датчик для электрических величин | |
| EP1426771B1 (en) | Impedance measuring circuit and capacitance measuring circuit | |
| RU2670712C9 (ru) | Устройство для измерения выходного сигнала пьезоэлектрического датчика | |
| CN106788327B (zh) | 一种接触与非接触检测兼用的传感器电路 | |
| 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 (ru) | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь | |
| RU2461010C1 (ru) | Мостовой измеритель параметров двухполюсников | |
| KR101001865B1 (ko) | 비접촉식 센서 회로 | |
| CN111307026A (zh) | 一种基于二极管开关的充放电式电容传感器 | |
| CN110824250A (zh) | 一种测量大频率范围内电感l和esr的装置 | |
| RU2534455C1 (ru) | Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом | |
| Barile et al. | A novel interface architecture for differential capacitive sensors | |
| US10809827B2 (en) | Pointing stick module and controller | |
| RU2532695C1 (ru) | Мостовой измеритель параметров двухполюсников | |
| RU2644531C1 (ru) | Дифференциатор | |
| JP2018091798A (ja) | 水分量検出器 | |
| KR20100107101A (ko) | 비접촉식 센서 회로 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TH4A | Reissue of patent specification |