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. [1-18].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин (светового потока) с потенциальным выходом, представленный в патенте US 6906325, fig.3, который содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, подключенными по переменному току между выходом устройства 4 и общей шиной 5.
Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники - акселерометры, датчики температуры, датчики деформации, датчики оптического излучения, датчики удара, радиации, датчики акустических сигналов, датчики тока 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 токовый 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 физической 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, подключенными по переменному току между выходом устройства 4 и общей шиной 5, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 4 соединен со входом 6 дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 через дополнительный конденсатор 8, причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 связан по переменному току с выходом устройства 4.
На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого датчика фиг.2 в среде PSpice.
i
0
к
к
На чертеже фиг.4 показана частотная зависимость отношения выходного напряжения датчика фиг.3 к выходному току сенсора 1 при R1=10 кОм, K=2, C=2 пФ и разных значениях емкости дополнительного конденсатора 8 (C=C8). Из данных графиков следует, что при C≈2 пФ частотный диапазон предлагаемого устройства расширяется с 2 МГц до 16,1 ГГц.
i
к
На чертеже фиг.5 представлен переходный процесс на выходе заявляемого устройства фиг.3 при K=2, C=C8-2 пФ и высокоомном резисторе R1=100 кОм. Из данного графика следует, что выигрыш по времени установления переходного процесса в схеме фиг.3 превышает 500 раз.
i
к
На чертеже фиг.6 представлен переходный процесс на выходе заявляемого устройства фиг.3 при K=2, C=С8-2 пФ и другом сопротивлении резистора R1=10 кОм. Из данного графика следует, что выигрыш по времени установления переходного процесса в схеме фиг.3 превышает 500 раз.
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом фиг.2 содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, подключенными по переменному току между выходом устройства 4 и общей шиной 5. Выход устройства 4 соединен со входом 6 дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 через дополнительный конденсатор 8, причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 связан по переменному току с выходом устройства 4.
i
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, дополнительный неинвертирующий усилитель тока 7 имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току (K) больше единицы, причем емкость дополнительного конденсатора 8 (C8) определяется по формуле
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
2
где C - внутренняя емкость 2 сенсора 1.
Рассмотрим в сравнении работу датчиков фиг.1 и фиг.2.
в
Комплексная передаточная функция и верхняя граничная частота f (по уровню -3 дБ) датчика физических величин - прототипа фиг.1 определяются формулами
<mrow><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><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><mi>s</mi></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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
в
3
2
где τ=RC - постоянная времени сенсора 1;
3
R - эквивалентное внутреннее сопротивление (3) сенсора 1;
2
C - внутренняя емкость сенсора 1.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению датчика фиг.2
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>п</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><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>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><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><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Из (1) можно найти условие минимизации влияния дополнительного конденсатора 2 на амплитудно-частотную характеристику датчика:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>8</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
8
2
Если выбрать K=2, то величина емкости C=C.
3
Из (3) и (4) следует, что изменение сопротивления R, которое зависит от типа сенсора 1, не влияет на условие (4).
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг.4.
уcт
Существенное увеличение верхней граничной частоты заявляемого устройства соответствует (во временной области) существенному уменьшению времени установления переходного процесса t (фиг.5, фиг.6), что характерно для линейных систем.
Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патентная заявка US 2007/0126507.
2. Патент US 5661435, fig.1.
3. Патент US 6714082, fig.2.
4. Патент US 5889605, fig.1.
5. Патентная заявка US 2008/0309407.
6. Патент US 4492931, fig.2.
7. Патентная заявка US 2006/0109057, fig.1.
8. Патентная заявка US 2006/0220747.
9. Патентная заявка US 2010/0312080.
10. Патент RU 2339973, fig.2А.
11. Патент US 7547902.
12. Патент US 7343103.
13. Патент US 7167655.
14. Патентная заявка US 2008/0075473, fig.1.
15. Патент US 4674093, fig.1.
16. Патент US 5343034, fig.2.
17. Патент ЕР 0165312, fig.1.
18. Патент ЕР 0720729, fig.2.