СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ДВУХПРОВОДНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ ДЛЯ ПЬЕЗОДАТЧИКА
MATCHING DEVICE WITH DOUBLE-WIRE INTERFACE FOR PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для формирования сигнала пьезоэлектрического датчика для передачи по двухпрочному интерфейсу (IEPE).
Известно согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее общую и выходную шины, первую и вторую входные шины, транзисторы, два конденсатора и два резистора [патент USA 4816713, 310/318, 1987 г.].
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость.
Известно согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее общую и выходную шины, первую и вторую входные шины, транзисторы, конденсатор и резистор [РСТ WO 2007/108929 А2, H04R 3/00, 2007 г.].
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость.
Известно согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее общую и выходную шины, первую и вторую входные шины, транзисторы и пять резисторов [патент RU 2152621, G01P 15/09, 1999 г.].
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость.
Известно согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее общую и выходную шины, первую и вторую входные шины, транзистор, операционный усилитель, два конденсатора и четыре резистора [патент USA 6218898, 330/174, 1999 г.].
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость.
Известно согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее общую и выходную шины, первую и вторую входные шины, транзистор, три резистора и два конденсатора [патент RU 2327172, G01P 15/09/2008 г.].
Это устройство за счет интегрирующих свойств обеспечивает повышенную помехоустойчивость в области верхних частот, однако его помехоустойчивость к синфазным помехам, особенно в области нижних рабочих частот относительно мала.
Наиболее близким к предложенному является согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее первый операционный усилитель, инверсный вход которого соединен через первый резистор с первым входом устройства, выход первого операционного усилителя соединен последовательно через первый конденсатор и второй резистор с инверсным входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с управляющим входом транзистора, выход которого соединен с общей шиной, которая соединена с входами питания низкого уровня первого и второго операционных усилителей и анодом стабилитрона, катод которого соединен с прямым входом второго операционного усилителя и через третий резистор с входами питания высокого уровня первого и второго операционных усилителей, а также с выходной шиной устройства, которая через четвертый резистор соединена с входом транзистора, выход которого через пятый резистор соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов и второго конденсатора, вторые выводы шестого резистора и второго конденсатора соединены с выходной шиной, а второй вывод седьмого резистора соединен с инверсным входом второго операционного усилителя, выход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами третьего конденсатора и восьмого резистора, вторые выводы которых объединены и соединены с первыми выводами четвертого конденсатора, а также девятого и десятого резисторов, вторые выводы четвертого конденсатора и девятого резистора соединены с инверсным входом первого операционного усилителя [патент USA 5477735, 73/654, 1993 г.].
Данное устройство обеспечивает интегрирование сигнала в рабочей полосе частот и увеличение помехоустойчивости в области верхних частот, но в области нижних частот рабочего диапазона его помехоустойчивость мала и устройство имеет низкую помехоустойчивость к синфазным помехам в области низких частот, например в области частот, близкой к частотам сети промышленного питания.
Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости к воздействию синфазных помех.
Поставленная цель достигается тем, что в согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика, содержащее первый операционный усилитель, инверсный вход которого соединен через первый резистор с первым входом устройства, выход первого операционного усилителя соединен последовательно через первый конденсатор и второй резистор с инверсным входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с управляющим входом транзистора, выход которого соединен с общей шиной, которая соединена с входами питания низкого уровня первого и второго операционных усилителей и анодом стабилитрона, катод которого соединен с прямым входом второго операционного усилителя и через третий резистор с входами питания высокого уровня первого и второго операционных усилителей, а также с выходной шиной устройства, которая через четвертый резистор соединена с входом транзистора, выход которого через пятый резистор соединен с первыми выводами шестого и седьмого резисторов и второго конденсатора, вторые выводы шестого резистора и второго конденсатора соединены с выходной шиной, а второй вывод седьмого резистора соединен с инверсным входом второго операционного усилителя, выход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами третьего конденсатора и восьмого резистора, вторые выводы которых объединены и соединены с первыми выводами четвертого конденсатора, а также девятого и десятого резисторов, вторые выводы четвертого конденсатора и девятого резистора соединены с инверсным входом первого операционного усилителя, катод стабилитрона соединен с первыми выводами первого дополнительного резистора и первого дополнительного конденсатора, вторые выводы которых объединены и соединены с первыми выводами второго дополнительного резистора и второго дополнительного конденсатора, вторые выводы которых объединены и соединены с прямым входом первого операционного усилителя, который через третий дополнительный резистор соединен с второй входной шиной, второй вывод десятого резистора соединен через третий дополнительный конденсатор с вторым выводом первого дополнительного резистора, причем величина восьмого резистора равна величине первого дополнительного резистора, величина девятого резистора равна величине второго дополнительного резистора, величина первого резистора равна величине третьего дополнительного резистора, величина третьего конденсатора равна величине первого дополнительного конденсатора, а величина четвертого конденсатора равна величине второго дополнительного конденсатора.
В качестве транзистора может быть использован p-п-p биполярный транзистор, причем в качестве входа использован его эмиттер, в качестве управляющего входа использована его база, а в качестве выхода использован его коллектор.
В качестве транзистора может быть использован полевой транзистор с каналом p типа, причем в качестве входа использован его исток, в качестве управляющего входа использована его затвор, а в качестве выхода использован его сток.
Структурная схема устройства, реализованного с использованием транзистора типа p-п-p показана на фиг.1. Структурная схема устройства, реализованного с использованием полевого транзистора, показана на фиг.2. На фиг.3 показан пример амплитудно-частотной характеристики устройства для выходного сигнала виброскорости в зависимости от частоты. На фиг.4. показана АЧХ устройства для синфазной помехи, наводимой на вход устройства.
Согласующее устройство с двухпроводным интерфейсом для пьезодатчика содержит первый операционный усилитель 1, инверсный вход которого соединен через первый резистор 2 с первым входом 3 устройства, выход первого операционного усилителя 1 соединен последовательно через первый конденсатор 4 и второй резистор 5 с инверсным входом второго операционного усилителя 6, выход которого соединен с управляющим входом транзистора 7, выход которого соединен с общей шиной 8, которая соединена с входами питания низкого уровня первого 1 и второго 6 операционных усилителей и анодом стабилитрона 9, катод которого соединен с прямым входом второго операционного усилителя 6 и через третий резистор 10 с входами питания высокого уровня первого 1 и второго 6 операционных усилителей, а также с выходной шиной 11 устройства, которая через четвертый резистор 12 соединена с входом транзистора 7, выход которого через пятый резистор 13 соединен с первыми выводами шестого 14 и седьмого 15 резисторов и второго конденсатора 16, вторые выводы шестого резистора 14 и второго конденсатора 16 соединены с выходной шиной 11, а второй вывод седьмого резистора 15 соединен с инверсным входом второго операционного усилителя 6, выход первого операционного усилителя 1 соединен с первыми выводами третьего конденсатора 17 и восьмого резистора 18, вторые выводы которых объединены и соединены с первыми выводами четвертого конденсатора 19, а также девятого 20 и десятого 21 резисторов, вторые выводы четвертого конденсатора 19 и девятого резистора 20 соединены с инверсным входом первого операционного усилителя 1, катод стабилитрона 9 соединен с первыми выводами первого дополнительного резистора 22 и первого дополнительного конденсатора 23, вторые выводы которых объединены и соединены с первыми выводами второго дополнительного резистора 24 и второго дополнительного конденсатора 25, вторые выводы которых объединены и соединены с прямым входом первого операционного усилителя 1, который через третий дополнительный резистор 26 соединен с второй входной шиной 27, второй вывод десятого резистора 21 соединен через третий дополнительный конденсатор 28 с вторым выводом первого дополнительного резистора 22, причем величина восьмого резистора 18 равна величине первого дополнительного резистора 22, величина девятого резистора 20 равна величине второго дополнительного резистора 24, величина первого резистора 2 равна величине третьего дополнительного резистора 26, величина третьего конденсатора 17 равна величине первого дополнительного конденсатора 23, а величина четвертого конденсатора 19 равна величине второго дополнительного конденсатора 25.
Устройство работает следующим образом.
Пьезоэлектрический элемент 29 подключается к входам 3 и 27 устройства непосредственно или через симметричную двухпроводную линию связи. В последнем случае пьезоэлектрический элемент может работать в области существенно более высоких температур, чем допустимые для используемой электронной базы. Выходы 8 и 11 устройства по линии связи подключены к системе измерения вибрации в соответствии со стандартом IЕРЕ, т.е. выход 8 соединен с общей шиной, а к выходу 11 подключен источник постоянного тока 30, запитанный от шины питания 31, а также выход 11 соединен через конденсатор 32 с входом 33 системы измерения вибраций.
При воздействии вибрации датчик, пьезоэлектрический элемент 29 вырабатывает зарядовый сигнал, поступающий на вход устройства. Операционный усилитель 1 обеспечивает преобразование зарядового сигнала в сигнал напряжения, причем в зависимости от выбора номиналов элементов такой сигнал напряжения может быть в рабочей полосе частот пропорционален либо ускорению, либо скорости, воздействующих на датчик. Операционной усилитель 6 обеспечивает преобразование сигнала напряжения в сигнал, соответствующий требованиям двухпроводного интерфейса IЕРЕ. Пример амплитудно-частотной характеристики устройства при работе с формированием на выходе сигнала виброскорости показан на фиг.3. Для обеспечения высокой помехоустойчивости к воздействию синфазных помех на датчик и входные цепи устройства необходимо выполнить соотношения:
∂
∂
∂
∂
∂
R1=R3; R9=R2; R8=R1; С4=С2; С3=С1
На фиг.4 приведена амплитудно-частотная зависимость выходного сигнала при воздействии на его входы синфазного сигнала, соответствующего помехи. Устройство обеспечивает существенное подавление помех, особенно значительное на частотах, соответствующих частоте промышленной сети переменного тока (50-60 Гц), что позволяет проводить измерения в условиях высокого уровня помех и при значительном удалении датчика от данного согласующего устройства.
Соединение резистора 22 к катодом стабилитрона 9 обеспечивает задание режима первого операционного усилителя 1 по постоянному току, в то время как резисторы 22, 24 и конденсаторы 23, 25 образуют частотно-зависимый делитель, который в совокупности с остальными элементами обеспечивает подавление синфазной помехи.
Благодаря высокой помехоустойчивости предлагаемое устройство обеспечивает проведение достоверных измерений вибрации, в том числе и с использованием высокотемпературных датчиков.