ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PIEZO ELECTRIC TRANSDUCER

Пьезоэлектрический измерительный преобразователь предназначен для использования в области измерения параметров динамических механических величин.
Известен пьезоэлектрический акселерометр (см. Патент на изобретение №2152621, кл. МКИ G01P 15/09. ООО «ГлобалТест», Архипкин Н.Ф., Кирпичев А.А., Редюшев А.А., Шведов А.В. Опубл. 29.03.99), который содержит пьезопреобразователь, соединенный первым электродом со вторым выводом первого токоограничивающего резистора, первый вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и затвором полевого транзистора, исток которого соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым электродом пьезопреобразователя, стоком полевого транзистора с изолированным затвором и через линию связи с общим выводом источника питания и регистратора. Сток полевого транзистора соединен с катодом первого токостабилизирующего диода, первым выводом пятого резистора и затвором полевого транзистора с изолированным затвором. Второй вывод пятого резистора соединен со вторым выводом второго резистора и первым выводом четвертого резистора. Исток полевого транзистора с изолированным затвором соединен с анодом первого токостабилизирующего диода и через линию связи - с катодом второго токостабилизирующего диода и первым выводом разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с регистратором. Анод второго токостабилизирующего диода подключен к источнику питания.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками данного устройства являются сложность электрической схемы, повышенный уровень шума предусилителя и отсутствие элементов защиты от пробоя затвора полевого транзистора.
Решаемой технической задачей является создание пьезоэлектрического измерительного преобразователя с упрощенной электрической схемой.
Достигаемым техническим результатом является снижение уровня собственного шума и защита от пробоя полевого транзистора.
Для достижения технического результата в пьезоэлектрическом измерительном преобразователе, содержащем пьезопреобразователь и предусилитель, состоящий из двух частей, первая из которых размещена в корпусе преобразователя и включает каскад усиления на полевом транзисторе и трех резисторах, а вторая часть предусилителя расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор и токостабилизирующий диод, катод которого и первый вывод разделительного конденсатора соединены с истоком полевого транзистора, при этом второй вывод разделительного конденсатора и анод токостабилизирующего диода соединены соответственно с регистратором и источником питания, общая точка которых через линию связи соединена со стоком полевого транзистора, новым является то, что дополнительно введены последовательно соединенные первый и второй диоды, катод первого и анод второго диодов соединены соответственно с истоком и стоком полевого транзистора, а их средняя точка соединена с затвором полевого транзистора, с первым электродом пьезопреобразователя и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, при этом второй вывод второго резистора соединен с истоком полевого транзистора, а второй вывод третьего резистора соединен со вторым электродом пьезопреобразователя и со стоком полевого транзистора.
В заявляемом устройстве упрощение схемы и уменьшение уровня собственного шума достигается тем, что из усилительного каскада исключен второй полевой транзистор.
Защита от пробоя полевого транзистора достигается тем, что в схему введены два последовательно соединенных диода, которые ограничивают напряжение на затворе полевого транзистора.
На чертеже изображен пьезоэлектрический измерительный преобразователь.
Пьезоэлектрический измерительный преобразователь содержит
пьезопреобразователь 1 и предусилитель, состоящий из двух частей, одна из которых размещена в корпусе преобразователя и включает каскад усиления на полевом транзисторе 7 и трех резисторах 2, 3 и 4, а другая часть предусилителя расположена вне корпуса и включает разделительный конденсатор 8 и токостабилизирующий диод 9, катод которого и первый вывод разделительного конденсатора 8 соединены с истоком полевого транзистора 7, при этом второй вывод разделительного конденсатора 8 и анод токостабилизирующего диода 9 соединены соответственно с регистратором и источником питания 10, общая точка которых соединена со стоком полевого транзистора 7, диоды 5 и 6, последовательно соединены, при этом катод диода 5 и анод диода 6 соединены соответственно с истоком и стоком полевого транзистора 7, а их средняя точка соединена с затвором полевого транзистора 7, с первым электродом пьезопреобразователя 1 и первым выводом резистора 4, второй вывод которого соединен с первыми выводами резисторов 2 и 3, при этом второй вывод резистора 2 соединен с истоком полевого транзистора 7, а второй вывод резистора 3 соединен со вторым электродом пьезопреобразователя 1 и со стоком полевого транзистора 7. Устройство работает следующим образом.
При механическом воздействии на пьезоэлектрический измерительный преобразователь на пьезопреобразователе 1 возникает полезный сигнал, который поступает на затвор полевого транзистора 7 с изолированным затвором, работающим как истоковый повторитель. Для обеспечения необходимого режима работы транзистора служат резисторы 2, 3, 4. Токостабилизирующий диод 9 является динамической нагрузкой истокового повторителя. Диоды 5 и 6 служат для защиты от пробоя полевого транзистора, ограничивая напряжение на его затворе. Далее сигнал, пропорционально ускорению через линию связи и разделительный конденсатор 8 поступает на регистратор.
Предусилитель обеспечивает при питании от генератора тока (2÷2,4) мА с Е.Д.С.+(15÷30)В постоянное напряжение на выходе при отсутствии сигнала (8÷10)В.
Был изготовлен опытный образец пьезоэлектрического измерительного преобразователя, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявленного объекта. Были использованы следующие элементы:
пьезопреобразователь 1, изготовленный из пьзокерамики ЦТС-19 и имеющий кольцевую форму с размерами:
наружный диаметр
8 мм
внутренний диаметр
5 мм
высоту
2 мм
полевой транзистор 7 - IRLML 5103 фирмы «International Rectifier»;
резистор 2 - Р1-8-0.125
62 кОм
резистор 3 - Р1-8-0.125
200 кОм
резистор 4 - Р1-33-1
510 МОм
диод 5 - BAV199 фирмы «Philips»;
диод 6 - BAV199 фирмы «Philips»;
диод 9 - j508 фирмы «Vishay-Siliconix»;
конденсатор 8 - К53-1 мкФ.
Реализованы следующие технические характеристики при напряжении питания+(15÷30)В и токе (2÷2,4) мА:
1) коэффициент преобразования 10 мВ/g;
2) рабочая полоса частот (0,5÷10000)Гц;
3) среднеквадратичное значение шума в полосе частот (1÷10000)Гц не более 1 мкВ (0,000l g).
4) Максимальное амплитудное значение сигнала±5 В при напряжении питания 15 В и коэффициенте нелинейных искажений не более 1%.