ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА, ПОСТУПАЮЩЕГО С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, В ЦИФРОВОЙ КОД (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована, в частности, в балансировочных станках, динамометрах, акселерометрах и других приборах и оборудовании.
Пьезоэлектрические преобразователи широко известны, например, см. книги:
1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Томпкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.ф.-м.н. В.М.Матвеева, - М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с, с396-421 (1).
2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-ое переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 576 с с илл., с272-288 (2);
3. "Sensortechnik": - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Hьthig, 1993., 346 с, с47-64 (3).
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на измерении электрического заряда Q, возникающего при приложении, например, внешней силы F к пьезокерамической пластине. При этом, электрический заряд Q, возникающий в пьезоэлектрическом преобразователе пропорционален величине приложенной силы F.
Q=d·F
где: d - пьезоэлектрический коэффициент (пьезомодуль), измеряемый в Кл/Н.
Известны два метода обработки сигналов от пьезоэлектрических преобразователей:
- первый метод - усиление напряжения;
- второй метод - усиление величины заряда Q.
Также известно, что пьезоэлектрические преобразователи (датчики) широко используются в различных устройствах, которые эксплуатируются в довольно широком температурном диапазоне.
Например, характеристики пьезоэлектрического коэффициента d (пьезомодуля) в зависимости от температуры для пьезоэлектрического материала ЦТБС-3 при изменении температуры от +20°С до +60°С (соответственно от 293°K до 333°K) значение пьезомодуля изменяется от 175 до 205 единиц, то-есть, более чем на 16% (см. диаграмму в приложении №1 - письме зам. генерального директора Е.Е.Романовой завода высоковольтных электронных компонентов "Прогресс", прилагается к материалам заявки на 1 листе).
А для пьезокерамического материала PIC 155, например, при изменении температуры от +20°С до +60°С значение пьезомодуля изменяется более чем на 22%, (см. приложение №2, график 2 к источнику научно-технической информации фирмы PI Ceramic Gmbh, адрес в Интернете www.piceramic.de, прилагается к материалам заявки на 1 листе).
Такой разброс значений пьезомодуля в зависимости от температуры среды является в некоторых приборах просто недопустимым, например, в балансировочных станках, которые относятся к высокоточному измерительному оборудованию. А в конструкции этих станков используются пьезоэлектрические преобразователи в качестве различных датчиков.
Таким образом, использование пьезоэлектрических преобразователей с низким значением относительного коэффициента изменения пьезомодуля в зависимости от температуры не всегда экономически целесообразно. То есть, для повышения стабильности пьезомодуля необходимо использовать дорогостоящие комплектующие элементы и принимать сложные схемные решения.
Пьезокерамические материалы с низким относительным коэффициентом изменения пьезомодуля в зависимости от температуры имеют меньшее значение пьезомодуля, а в ценовом соотношении намного дороже и к тому же для получения заданного значения пьезомодуля требуется соединять ряд пьезокерамических пластин в схеме параллельно, что также ведет к значительным материальным затратам.
Например, для стабильного функционирования балансировочного станка с высокой точностью балансировки необходимо предусматривать в его конструкции устройства, гарантирующие поддержание постоянной температуры пьезоэлектрических преобразователей (датчиков). Или в противном случае пользователь станка обязан периодически производить калибровку этих датчиков через определенный промежуток времени. А это, в свою очередь, существенно снижает производительность труда.
Целью при разработке предлагаемого преобразователя электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя, в
цифровой код, является создание такого преобразователя, который позволит работать оборудованию в системе: датчик-электрический сигнал-преобразователь-цифровой код в широком диапазоне температур; при этом, гарантирующим выдачу цифрового кода, значение которого будет пропорционально приложенной к пьезоэлектрическому преобразователю силе, ускорению или моменту в заданном диапазоне температур за счет нормализации зарядочувствительной характеристики пьезоэлектрического преобразователя.
Указанная цель и технический результат достигаются следующим образом.
Предлагаемый преобразователь содержит, подключенную к пьезоэлектрическому преобразователю (датчику) измерительную цепь, которая, в свою очередь, подсоединена к входу усилителя с высоким входным сопротивлением, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, и в дополнение к этой конструктивной схеме к входу усилителя с высоким входным сопротивлением подсоединен ключ, при включении которого осуществляется посредством измерителя емкости измерение емкости пьезоэлектрического преобразователя, а цифровое значение этой емкости вводится в нормализатор характеристики пьезоэлектрического преобразователя, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя.
Предлагаемый преобразователь может быть выполнен и по другой конструктивной схеме, которая дополнительно к вышеописанной схеме содержит дифференциальный усилитель, один вход которого соединен с выходом усилителя с высоким входным сопротивлением, а другой вход - с "землей", при этом выход дифференциального усилителя соединен с входом аналого-цифрового преобразователя.
Близкого аналога конструкции предлагаемого преобразователя электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя, в цифровой код в доступной научно-технической и патентной информации не обнаружено.
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого преобразователя электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя, в цифровой код, подключенного к пьезоэлектрическому преобразователю (датчику).
На Фиг.2 изображена структурная схема предлагаемого преобразователя, содержащего дополнительно дифференциальный усилитель, генератор
тестового сигнала и нагрузочную цепь к нему, содержащую ключ с тремя положениями и нагрузочный резистор.
Предлагаемый преобразователь по фиг.1 содержит: измерительную цепь 1, которая подключена через коаксиальный кабель 2 к пьезоэлектрическому преобразователю (датчику) 3.
Измерительная цепь 1 подключена также к входу усилителя с высоким входным сопротивлением 4, который, в свою очередь, подключен через ключ 5 к измерителю емкости 6, а цифровое значение, полученное в нем, вводится в выполненный программно нормализатор характеристики 7 пьезоэлектрического датчика 3. Другой вход нормализатора характеристики 7 подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 8, на вход которого подается аналоговый сигнал с выхода усилителя 4 с высоким входным сопротивлением.
Предлагаемый преобразователь по фиг.2 дополнительно к схеме по фиг.1 содержит: дифференциальный усилитель 9, предназначенный для уменьшения влияния помех, приложенных к входу АЦП 8, измеритель емкости, выполненный в данной конструкции из генератора тестового сигнала 10, нагрузочного резистора 11 и ключа 12 с тремя положениями.
Предлагаемый преобразователь по фиг.1 работает следующим образом. Устройство переводят в режим измерения емкости пьезоэлектрического датчика 3. Для этого, например, балансировочный станок останавливают, то-есть, чтобы электрический сигнал с выходов пьезоэлектрического датчика 3 не поступал на вход схемы по фиг.1.
П
К
ИЦ
ВХ
Далее, включают ключ управления 5 и производится измерение емкостей: пьезоэлектрического датчика 3 (С); коаксиального кабеля - монтажной емкости (С); конденсатора измерительной цепи 1 (С); входной емкости повторителя напряжения 4 (С).
Х
Общая измеренная емкость всего преобразователя С по фиг.1 является суммой перечисленных емкостей:
Х
П
К
ИЦ
ВХ
С=С+С+С+С
К
ИЦ
ВХ
П
П
Так как С, С и С известны, а С может быть вычислена на первом этапе измерения емкости пьезоэлектрического датчика 3, то из данной приведенной выше формулы вычисляем искомое значение емкости С пьезоэлектрического датчика 3.
П
Далее, это значение С вводится в нормализатор характеристики 7. А затем, отсоединяют ключ управления 5 и, например, балансировочный станок готов к работе.
Период выполнения таких циклов "перекалибровки" преобразователя электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя, в цифровой код выбирается в зависимости от значения градиента температуры; также "перекалибровка" может выполняться в паузах простоя балансировочного станка.
П
Предлагаемый преобразователь электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя, в цифровой код работает в автоматическом режиме. Сам нормализатор характеристики 7 выполнен программным способом. Дополнительно в него вводится информация о значении пьезомодуля d при заданной температуре и емкости пьезоэлектрического датчика С также при заданной температуре, а также значения функций зависимости абсолютного или относительного изменения значения пьезомодуля от температуры.
Перечисленные характеристики имеют конкретные значения и указаны в паспортных данных для каждого вида пьезоэлектрического датчика.
Предлагаемый преобразователь по фиг.2 работает аналогично работе преобразователя по фиг.1. Но в отличие от него данная схема более помехоустойчива за счет введения в схему дифференциального усилителя 9.
Как правило, в станках, снабженных пьезоэлектрическими датчиками один из выводов пьезоэлектрического датчика соединяют конструктивно с "землей" станка. Данная "земля" является силовой и относительно сигнальной "земли" несет в себе помехи, вызванные, например, работой силового оборудования.
Таким образом, электрический сигнал, поступивший с пьезоэлектрического датчика 3, прошедший через усилитель 4 с высоким входным сопротивлением будет иметь в себе помехи. А для исключения этих помех, необходимо "разъединить" "землю" АЦП 8 и "землю" от "земли" пьезоэлектрического датчика 3, например, в точке 13 на фиг.1. Это "разъединение" производит дифференциальный усилитель 9 и подсоединяет "землю" АЦП 8 к своей "земле", что обеспечивает исключение синфазных, помех.
Измеритель емкости по данной схеме по фиг.2 выполнен на трех элементах: генераторе тестового сигнала 10, нагрузочном резисторе 11 и ключе 12 с тремя положениями.
Измерение емкости пьезоэлектрического датчика 3 по данной схеме производится следующим образом:
1. ключ 11 переводят в нейтральное положение и измеряют амплитуду тестового сигнала, поступающего от генератора тестового сигнала 10
к нормализатору характеристики 7.
2. рассчитывают амплитуду и фазу сигнала ;
3. переключают ключ 12 в верхнее положение и измеряют напряжение аналогичным образом, приведенное к пьезоэлектрическому датчику .
Так как,  и значение нагрузочного сопротивления R известно, то можно найти значение емкости пьезоэлектрического датчика 3.
u
Для упрощения расчетов пренебрегаем значением сопротивления измерительной цепи 1, так как R≫R
u
где: R - значение сопротивления измерительной цепи 1;
R - значение нагрузочного сопротивления нагрузочного резистора 11.
Полученное значение емкости пьезоэлектрического датчика 3 вводится в нормализатор характеристики 7 и устройство предлагаемого преобразователя готово к работе после переключения ключа 12 в нейтральное положение (ключ разомкнут).
Предлагаемая конструкция преобразователя электрического сигнала, поступающего с пьезоэлектрического преобразователя (датчика), в цифровой код позволяет корректировать и определять фактические показания измеряемых величин на балансировочном станке в зависимости от температуры окружающей среды, в которой работают пьезоэлектрические датчики и гарантировать пропорциональность характеристик датчика в заданном диапазоне температур.
Литература:
1. "Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC", Дж.Уэбстера под редакцией У.Топкинса, перевод с английского Ю.А.Кузьмина и к.Ф. - м.н. В.М.Матвеева, М., изд. "Мир", 1992 г., 592 с, с 396-421.
2. "Электрические измерения неэлектрических величин", издание 5-ое переработанное, дополненное, Л., изд. "Энергия", 1975 г., 576 с с илл., с 272-288.
3. Sensortechnik: - /Sensorwirkprinzipen und Sensorsysteme/, Harry Herold, - Heidelberg: Huthig, 1993., 346 с, с 47-64.