БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ
FAST-RESPONSE TRANSDUCER OF PHYSICAL MAGNITUDES WITH POTENTIAL OUTPUT

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин.
По физической природе измеряемых сигналов датчики классифицируются на электрические, электромагнитные, акустические, оптические и т.д. и, в этой связи, они присутствуют в разных классах МПК. Заявляемое техническое решение относится одновременно ко многим из перечисленных датчиков, выходной электрический сигнал которых функционально связан с измеряемым физическим параметром тех или иных объектов техники, физики, химии, биологии, медицины, ближнего и дальнего космоса и т.п.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин с потенциальным выходом, представленный в учебном пособии Топильского В.Б. «Схемотехника измерительных устройств / В.Б.Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - С.125. - Рис.3.11 б», который содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7.
Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники [1-20] - акселерометры, датчики температуры [15], датчики деформации, датчики оптического излучения [1, 3-9, 17-19], датчики удара [10, 13], радиации [16], датчики акустических сигналов [14], датчики тока [11, 2] и т.п.
Существенный недостаток известного датчика-прототипа состоит в том, что его быстродействие ограничивается внутренней емкостью 2, являющейся неотъемлемой частью сенсорного элемента 1, генерирующего электрический сигнал, пропорциональный измеряемой физической величине.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины.
Поставленная задача решается тем, что в датчике физических величин с потенциальным выходом фиг.2, содержащем сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 6 соединен со входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный неинвертирующий усилитель тока 9.
На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7. Выход устройства 6 соединен со входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный неинвертирующий усилитель тока 9.
Рассмотрим работу датчиков фиг.1 и фиг.2.
в
Передаточная функция и верхняя граничная частота f (по уровню - 3 дБ) датчика физических величин - прототипа фиг.1 определяются формулами
<mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>τ</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
в
3
2
где τ=RС - постоянная времени сенсора 1;
3
R - внутреннее сопротивление сенсора 1;
2
С - внутренняя емкость сенсора 1.
В заявляемой схеме фиг.2 аналогичная передаточная функция
<mrow><mi>W</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>y</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>≈</mo><mn>1</mn></mrow>
где
- комплексный коэффициент передачи по току дополнительного усилителя тока 9;
y
К≈1 - комплексный коэффициент передачи по напряжению неинвертирующего буферного усилителя 5;
2
8
С, C - внутренняя емкость 2 и емкость корректирующего конденсатора 8.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>≈</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mo>≈</mo><mn>1</mn></mrow>
8
2
Если в рабочем диапазоне частот обеспечить
,
, C=C, то в схеме фиг.2 реализуется в N-раз более высокие значения верхней граничной частоты
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo>></mo><mo>></mo><mn>1,</mn><mtext>                                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
в
в
где
, f - верхние граничные частоты предлагаемого
и известного (f) устройств;
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>в</mi><mn>5</mn></mrow></msub><mo>></mo><mo>></mo><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>в</mi><mn>9</mn></mrow></msub><mo>></mo><mo>></mo><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
в5
в9
По мере приближения расчетных значений
заявляемого устройства к верхним граничным частотам неинвертирующего буферного усилителя 5 (f) и дополнительного усилителя тока 9 (f) эффективность заявляемого устройства будет уменьшаться. Однако практическая реализация данных функциональных узлов с
и
, имеющих единичное усиление, не вызывает проблем для многих применений схемы фиг.2 с различными типами сенсоров 1.
Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Филипп С.Д.Хоббс. Усилители для фотодиодов на операционных усилителях / Филипп С.Д.Хоббс; перевод: Дмитрий Иоффе // Компоненты и технологии. - №3. - 2009. - Рис.7а.
2. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б.Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - С.164. - Рис.3.52.
3. Патент US 4.292.514 fig.1.
4. Патенти US 599.527.
5. Патент US 5.270.533 fig.1.
6. Патент US 5.867.066 fig.1.
7. Патент ЕР 0977353 fig.2.
8. Патент US 6.753.733 fig.1, fig.2.
9. Патент ЕР 0098662 fig.1.
10. Патент WO/2006/130828.
11. Патент СА 2069858.
12. Патент US 4.487.063.
13. Патент US 6.407.631.
14. Патентная заявка US 2007/0297623.
15. Патентная заявка US 2008/0082291.
16. Патент US 7.911.278 fig.1.
17. Патент US 4.492.931.
18. Патент US 6.417.504 fig.1.
19. Патент US 4.535.233 fig.2a.
20. Патент ЕР 1010237 fig.4.