ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована для измерения параметров механических колебаний высокотемпературных объектов.
Известен пьезоэлектрический акселерометр (RU 2097772, G01P 15/09, 1997.11.27), который позволяет измерять параметры механических колебаний объектов с повышенной температурой и является наиболее близким аналогом заявляемого устройства.
Известный пьезоэлектрический акселерометр содержит корпус, пьезопреобразователь, предусилитель с согласующей схемой и биполярным и полевым транзисторами, кабельную линию связи с концевым соединителем, источник питания и регистратор. Предварительный усилитель разделен на две части, одна из которых с биполярным и полевым транзисторами расположена вместе с пьезопреобразователем в его корпусе, а другая часть предварительного усилителя, с согласующим резистором, расположена вне корпуса пьезопреобразователя и связана с его первой частью линией связи с концевым соединителем.
Помещение второй части предварительного усилителя с согласующим резистором, определяющим режим работы и коэффициент усиления предусилителя, в нормальные температурные условия позволяет известному акселерометру быть работоспособным в диапазоне температур от -40 до +125°C.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является наличие теплового контакта чувствительных к повышенной температуре радиоэлектронных элементов пьезоэлектрического акселерометра с объектом измерения.
Технические решения, основанные на разделении предварительного усилителя на две части, соединенные линией связи, использованы также в изобретениях RU 2152621, G01P 15/09, 2000.07.10 и RU 2400867, G01P 15/09, 2010.09.27.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение в сторону больших значений температурного диапазона работоспособности пьезоэлектрического акселерометра.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в исключении теплового контакта радиоэлектронных элементов пьезоэлектрического акселерометра с объектом измерения.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в заявляемом пьезоэлектрическом акселерометре, включающем корпус с установленным в нем пьезопреобразователем, предварительный усилитель, подключенные к его выходу источник питания и регистратор и кабельную линию связи с концевым соединителем, в отличие от известного устройства предварительный усилитель размещен в концевом соединителе кабельной линии связи с пьезопреобразователем и выполнен в виде дифференциального операционного усилителя, подключенного через шину питания к токовому первому выходу источника питания и через общую шину ко второму выходу источника питания и одновременно через кабельную линию связи - к корпусу пьезопреобразователя, пьезопакет которого также через линию связи и последовательно включенные входной первый резистор, разделительный первый конденсатор и ограничительный второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, который через ограничительный второй резистор, разделительный первый конденсатор и второй конденсатор обратной связи подключен к шине питания; средняя точка между третьим и четвертым резисторами делителя напряжения, подключенными соответственно к общей шине и шине питания, через пятый и второй резисторы соединена также с инвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через третий конденсатор фильтра нижних частот и через шестой резистор фильтра нижних частот, соединенный с источником опорного напряжения подключены к общей шине, а через шестой резистор фильтра нижних частот и седьмой резистор подключен к шине питания; выход дифференциального операционного усилителя подключен к базе биполярного транзистора структуры p-n-p, эмиттер и коллектор которого подключены соответственно к общей шине и к шине питания, являющимися выходом концевого соединителя и, соответственно, выходом предварительного усилителя, подключаемого к токовому и второму выходам источника питания, между которыми включены четвертый конденсатор и восьмой резистор его выходного делителя, к средней точке между которыми и к общей шине подключен регистратор.
На фиг. показана принципиальная схема пьезоэлектрического акселерометра.
Пьезоэлектрический акселерометр содержит
1
последовательно включенные пьезопреобразователь 1, корпус 1 которого устанавливают на объекте 2, кабельную линию связи 3 с концевым соединителем 4, размещенный в нем предварительный усилитель 5, источника питания 6 и регистратор 7.
1
Корпус 1 пьезопреобразователя 1 по кабельной линии связи 3 подключен к общей шине 8 предварительного усилителя 5.
2
3
2
2
Сигнальный выход пьезопреобразователя 1 от пьезопакета 1 с инерционной массой 1 по кабельной линии связи 3 через входной первый резистор 9, разделительный первый конденсатор 10 и ограничительный второй резистор 11 соединен с инвертирующим входом 121 дифференциального операционного усилителя 12, подключенного к шине питания 13 и к общей шине 8, которые, являясь выходом предварительного усилителя 5 и концевого соединителя 4, соединены соответственно с токовым выходом 6 и вторым выходом 6 источника питания 6.
1
К инвертирующему входу 12 операционного дифференциального усилителя 12 через ограничительный второй резистор 11, разделительный первый конденсатор 10 и второй конденсатор обратной связи 14 подключена шина питания 13.
1
Средняя точка между третьим 15 и четвертым 16 резисторами делителя напряжения, подключенными соответственно к общей шине 8 и шине питания 13 через пятый 17 и второй 11 резисторы, соединена также с инвертирующим входом 12 дифференциального операционного усилителя 12.
2
Неинвертирующий вход 12 дифференциального операционного усилителя 12 через третий конденсатор 18 фильтра нижних частот и через шестой резистор 19 фильтра нижних частот, соединенный с источником опорного напряжения 20 подключен к общей шине 8, а через шестой резистор 19 фильтра нижних частот и седьмой резистор 21 подключен к шине питания 13.
3
1
2
3
Выход 12 дифференциального операционного усилителя 12 подключен к базе 22 биполярного транзистора 22 структуры p-n-p, эмиттер 22 и коллектор 22 которого подключены соответственно к общей шине 8 и шине питания 13, являющимися выходом предварительного усилителя 5 и, соответственно, выходом концевого соединителя 4 кабельной линии 3.
1
2
В источнике питания 6, соединенном с выходом предварительного усилителя 5, между токовым выходом 6 и вторым выходом 6 включены четвертый конденсатор 23 и восьмой резистор 24 выходного делителя, к средней точке которого и общей шине 8 подключен регистратор 7.
Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом.
1
3
2
1
2
При воздействии на корпус 1 пьезопреобразователя 1 внешней вибрации со стороны объекта 2 инерционная масса 1 за счет своей инерционности вызывает появление электрического заряда на пьезопластинах пьезопакета 1, пропорционального виброускорению, действующему на корпус 1 пьезопреобразователя 1. По кабельной линии связи 3 электрический заряд от пьезопакета 1 передается на входной первый резистор 9 предварительного усилителя 5, расположенного в концевом соединителе 4. Электрический заряд поступает на инвертирующий вход 121 дифференциального операционного усилителя 12 через разделительный первый конденсатор 10 и ограничительный второй резистор 11.
2
Питание операционного усилителя 12 осуществляется от источника питания 6, обеспечивающего стабилизацию потребляемого предварительным усилителем тока на заданном уровне. Токовый выход 61 источника питания 6 подключен к шине питания 13, а второй выход 6 - к общей шине 8.
3
1
Усиленный сигнал в форме переменного напряжения с выхода 12дифференциального операционного усилителя 12 поступает на базу 22 биполярного транзистора 22 структуры p-n-p и на выходной делитель напряжения на базе восьмого резистора 24 и четвертого конденсатора 23, расположенные в источнике питания 6. Со средней точки выходного делителя напряжения усиленный сигнал поступает на регистратор 7.
2
Для выбора рабочей точки операционного усилителя 12 на его неинвертирующий вход 12 подается напряжение от источника опорного напряжения 20 через фильтр нижних частот на базе шестого резистора 19 и третьего конденсатора 18. Питание источника опорного напряжения 20 осуществляется через седьмой резистор 21 от источника питания 6. Обратная связь операционного усилителя 12 осуществляется по переменной и постоянной составляющим напряжения.
1
Обратная связь операционного усилителя 12 по переменной составляющей напряжения на его выходе осуществляется с помощью второго конденсатора 14 обратной связи, разделительного первого конденсатора 10 и ограничительного второго резистора 11, с помощью которых переменное напряжение обратной связи поступает на инвертирующий вход 12 операционного усилителя 12.
3
1
2
1
3
Обратная связь по постоянной составляющей напряжения на выходе 12 операционного усилителя 12 осуществляется с помощью делителя напряжения, выполненного на третьем 15 и четвертом 16 резисторах. Напряжение со средней точки делителя поступает с помощью пятого 17 и второго 11 резисторов на инвертирующий вход 12 операционного усилителя 12. Для увеличения нагрузочной способности предварительного усилителя 5 к его выходу подключена база 221 биполярного транзистора 22, эмиттер 22которого подключен к шине питания 13 - токовому выходу 6 источника питания 6, а коллектор 22 - к общей шине 8.
На нашем предприятии был изготовлен опытный образец заявляемого пьезоэлектрического акселерометра со следующими элементами:
пьезопреобразователь имеет:
пьезопакет - 7 пьезопластин из пьзокерамических шайб из материала ЦТС-26, ТНАВ-1;
наружный диаметр пьзокерамических шайб - 9,5 мм;
внутренний диаметр пьзокерамических шайб - 3,6 мм;
толщина - 0,8 мм;
инерционная масса - 15 г;
дифференциальный операционный усилитель - AD8627:
источник опорного напряжения - AD1580BRT;
биполярный транзистор - BC860C;
источник питания - LM334Z;
регистратор - вольтметр Agilent 34401A
1-й резистор (9) - P1-33-1-1 (1 кОм);
2-й резистор (11) - P1-33-1-1 (2 кОм);
3-й резистор (15) - P1-33-1-1 (105 кОм);
4-й резистор (16) - P1-33-1-1 (1 МОм);
5-й резистор (17) - P1-33-1-1 (100 МОм);
6-й резистор (19) - P1-33-1-1 (30 кОм);
7-й резистор (21) - P1-33-1-1 (30 кОм);
8-й резистор (24) - C2-29 (100 кОм);
1-й конденсатор (10) - K10-43 (0,1 мкФ);
2-й конденсатор (14) - K10-43 (1 нФ);
3-й конденсатор (18) - K10-43 (0,33 мкФ);
4-й конденсатор (23) - K53 (100 мкФ).
Предварительный усилитель изготовлен на двусторонней печатной плате с размерами 10×11 мм с применением ЧИП-элементов для поверхностного монтажа. Предварительный усилитель размещается между контактами концевого соединителя типа 2РМДТ18КПЭ4Г5В1В. Для обеспечения герметичности концевого соединителя используется герметик «ВИКСИНТ». Конструкция концевого соединителя с размещенным в нем предварительным усилителем позволяет проводить измерения при температурах, границы которого обуславливаются эксплуатационными характеристиками только пьезопреобразователя (см., например, пьезопреобразователь МВ-44 номер в Государственном реестре средств измерений РФ 21349-06 от 15.03.2012 г., у которого температурные условия эксплуатации, °C… от минус 60 до 400).
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления полезной модели, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.