измеритель вибраций для экстремальных условий эксплуатации

Формула изобретения

Измеритель электрических зарядов, содержащий входной операционный усилитель, первую и вторую параллельные RC-цепи и инвертор, вход которого соединен с выходом входного операционного усилителя, при этом первая параллельная RC-цепь включена между инвертирующим входом входного операционного усилителя и входом инвертора, а вторая параллельная RC-цепь - между неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом инвертора, при этом выход входного операционного усилителя является выходом измерителя электрических зарядов, отличающийся тем, что параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически две группы из k цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, конденсатора и второго электронного ключа, причем к выводу конденсатора, который соединен со вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей, кроме того, параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через упомянутые разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически две группы из m цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, резистора и второго электронного ключа, причем к выводу резистора, который соединен с вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей через конденсатор, а также между выходами датчика и входной цепью входного операционного усилителя подключены через упомянутые разделительные конденсаторы две группы из n цепочек, переключаемых одновременно, и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа и резистора, при этом для получения максимального подавления пироэлектрической помехи величины резисторов в первой и второй параллельных RC-цепях и разделительные конденсаторы вместе с последовательно соединенным с ним резистором выбираются в определенном соотношении друг с другом, величина резисторов, деленная на корень из двух, в первой и второй параллельных RC-цепях должна равняться величине разделительной емкости, умноженной на величину последовательно соединенного с ней резистора и деленной на удвоенное значение емкости из первой и второй параллельных RC-цепях, умноженной на корень из двух и на отношение величин резисторов, соединенных с электронным ключом и резистором, включенным последовательно с разделительным конденсатором в каждой из двух групп из n цепочек, переключаемых одновременно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат заключается в парировании в выходном сигнале зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ) паразитных воздействий на пьезодатчик-акселерометр градиентов температур окружающей среды.

Измерение параметров вибраций и возбуждений ударного типа в элементах конструкции машинного оборудования представляет собой сложную задачу, решение которой связано с необходимостью применения малоинерционных первичных вибропреобразователей, а также широкодиапазонной усилительной преобразующей и регистрирующей аппаратуры. При этом измеряемые вибрационные сигналы, как правило, имеют вид случайных или смеси случайных и полигармонических колебаний, что требует применения статистических методов обработки и соответствующей специализированной аппаратуры. Практика экспериментальных исследований вибрационных процессов машин с целью оценки вибронапряженности и выявления диагностических признаков, характеризующих состояние отдельных деталей, показала, что успешное решение этих задач в значительной степени определяется правильным выбором типа и места размещения первичных вибропреобразователей [1].

В последнее время для диагностики и определения вибронапряженности машин как на стадии доводки, так и на стадии эксплуатации, все более широкое применение находят внутренние измерения с помощью вибропреобразователей. Они позволяют получать информацию о динамической нагруженности и состоянии внутренних кинематических связанных вращающихся деталей и узлов, например опорных подшипников и зубчатых передач. В отличие от выходного сигнала внешнего вибропреобразователя, выходной сигнал внутреннего вибропреобразователя в большинстве случаев имеет высокое значение отношения - полезный сигнал/помеха. В связи с этим упрощается обработка вибрационного сигнала и повышается надежность распознавания повреждений и оценки вибронапряженности деталей машин.

Для измерений вибрационных процессов наиболее широко применяют пьезоэлектрические вибропреобразователи, которые по своим техническим и метрологическим характеристикам превосходят все другие типы вибропреобразователей, так как имеют достаточно высокую чувствительность, широкий частотный и динамический диапазоны измерений, относительно небольшие размеры и массу, высокую термостабильность коэффициента передачи и вибропрочность [2].

В случае внутренних измерений датчики (вибропреобразователи) подвержены воздействию повышенных температур, что может оказывать большое влияние на результаты измерений и достоверность получаемой информации.

Среди многочисленных факторов, влияющих на результаты измерений параметров вибраций и удара, особое значение имеет изменение окружающей температуры в месте размещения датчика-вибропреобразователя. Коэффициент преобразования современных пьезоэлектрических вибропреобразователей практически не зависит от влияния температуры на параметры чувствительного элемента, но как отмечено в ряде работ, изменение температуры (градиент температур) по объему вибропреобразователя приводит к появлению паразитных зарядов. При изотермическом режиме воздействие, в котором температура по объему вибропреобразователя одинакова и постоянна во времени, этот эффект не проявляется [3, 4].

Известно, что кристалл пьезоэлектрика или сегнетоэлектрика при нагревании или охлаждении становится наэлектризованным на поверхности, причем на двух концах его кристаллографических осей наблюдается разноименное электричество. На том и на другом конце кристалла знак электричества меняется в противоположный, как только вместо нагревания начинается охлаждение кристалла. Подобная электризация при изменении температуры наблюдается во всяком кристалле, имеющем оси, не тождественные одна другой, причем при повышении температуры происходит электризация, противоположная той, какая возникает при понижении температуры.

Возбуждение электричества прекращается, как только кристалл всей своей массой принимает одну и ту же температуру. Все подобные явления носят название явлений пироэлектричества.

Пироэлектрический эффект - это изменение спонтанной поляризации диэлектрического кристалла при однородном изменении его температуры. Обобщенной количественной мерой эффекта является пироэлектрический коэффициент.

Пироэлектрический эффект зависит от природы кристалла и температуры, причем характер температурной зависимости различен для разных пьезоэлектрических кристаллов.

Величина пироэлектрического эффекта может быть весьма значительна. Так, например, пластинка турмалина с величиной коэффициента пироэлектрического эффекта g=1.3*10^-5 Кл·м ^-2·К^-1 будучи нагретой на 10°С генерирует заряд с плотностью 0,5 мкКл/м, что соответствует разности потенциалов между гранями пластинки 1,2 кВ.

Эффект генерирования паразитных зарядов особенно сильно может повлиять на результат при проведении измерений низких уровней вибрации на низких частотах.

Пьезоэлектрические вибропреобразователи имеют высокое выходное сопротивление, которое, в основном, определяется собственной емкостью, и генерируют электрический сигнал мощностью 10 ^-12 10^-14 Вт. Такой малой интенсивности сигнал по кабелю или через выносное согласующее устройство может передаваться к измерительному прибору на расстоянии 100 м и больше. Решение этой задачи в значительной степени определяется схемой согласующего устройства, конструкцией соединительного кабеля и вибропреобразователя.

С увеличением номенклатуры выпускаемых микросхем, позволяющих создать малогабаритные конструкции высокочувствительных устройств, в качестве согласующих каскадов усилительно-преобразующей аппаратуры все большее применение находят усилители заряда.

В схеме усилителя заряда наиболее часто используется усилитель напряжения с большим (К>10000) коэффициентом усиления, который охвачен глубокой параллельной отрицательной обратной связью через С_ос. (фиг.1), например, усилитель-прототип, описанный в патенте RU № 2260245 [6].

В этом изобретении симметричный усилитель заряда выполнен на операционном усилителе с высоким входным сопротивлением (например, типа TL062C) с параллельной обратной связью на RC-цепи 3, определяющей самую высокую чувствительность по заряду. Параллельно этой цепи по переменному току подключены k цепочек 5, позволяющие изменять чувствительность по заряду в требуемое число раз и состоящие из последовательно соединенных первого электронного ключа К4, конденсатора Ck и второго электронного ключа К5, причем к выводу конденсатора Ck, который соединен с вторым электронным ключом К5, подключен резистор R, соединенный с землей, служащий для устранения связи с выхода ОУ1 через разомкнутый второй электронный ключ К5. Также параллельно RC-цепи 3 включены m цепочек 4, позволяющие изменять нижнюю граничную частоту и состоящие из последовательно соединенных первого электронного ключа К2, резистора Rm и второго электронного ключа К3, причем к выводу резистора Rm, который соединен с вторым электронным ключом К3, подключен резистор R, соединенный с землей. Когда электронные ключи К2, К3, К4 и К5 разомкнуты, то дополнительные цепочки не оказывают никакого влияния на работу ЗЧУ.

Дополнительно между выходами датчика измерителя электрических зарядов и входной цепью входного операционного усилителя подключены через разделительные конденсаторы Ср 6, группа из n цепочек 8, переключаемых одновременно, каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа К1 и резистора Rn.

Сопротивление R_oc обычно включается в усилителе заряда для стабилизации режимов каскадов по постоянному току.

Для усилителя заряда (фиг.1), пренебрегая током I_вх , можно записать выражение

I₀+I _oc+I_k=0 и

Так как а то получим выражение:

После интегрирования этого выражения, принимая постоянные интегрирования равным нулю, найдем выходное напряжение усилителя заряда

где К - коэффициент усиления усилителя, не охваченного обратной связью.

Поскольку всегда выполняются условия К>1 и С_ос(К+1)>>С _к, то

Из последнего выражения видно, что чувствительность усилителя заряда зависит от емкости обратной связи C_oc . Входная эквивалентная емкость С_э=C_oc*(K+1) и выбирается всегда значительно больше емкости кабеля.

Частотная характеристика в области низких частот описывается выражением:

,

где

- нижняя частота среза усилителя заряда по уровню 0,707, т.е. при заданной чувствительности (C_OC) величина нижней граничной частоты определяется величиной R_OC .

Описание недостатка прототипа.

Как было отмечено ранее, изменение температуры (градиент температуры) по объему преобразователя приводит к появлению паразитных зарядов. Величина генерируемого паразитного заряда прямо пропорциональна перепаду температуры. Постоянный градиент температуры приводит к появлению постоянной паразитной пироэлектрической электризации датчика, но так как градиент температуры внутри датчика меняется, то это приводит к появлению медленно меняющегося тока, протекающего на вход зарядочувствительного усилителя. Максимальную величину этого тока можно оценить исходя из полученных результатов:

При больших значениях R_oc, т.е. при малых значениях нижней граничной частоты усилителя происходит перегрузка усилителя, и аппаратура на значительное время может терять работоспособность на длительное время (фиг.2).

На фиг.2 отражены результаты воздействия скачков температуры на датчик АВС-132, подключенный ко входу зарядочувствительного усилителя. Измерения проводились по методике, применяемой фирмой Брюль и Къер. Как видно из приведенных графиков даже небольшой скачок температуры Т=±20°С приводит к частичной потере работоспособности на десятки секунд, а при больших значениях скачка температуры к полной потере работоспособности более чем на минуту. Потеря информации, особенно во время переходных процессов в механизмах, когда резко изменяется температура, может привести к пропуску начала развития аварийной ситуации, которую можно было бы предотвратить в случае нормальной работы контролирующей аппаратуры.

Для устранения такого воздействия необходимо:

1. Использовать датчики с минимальной чувствительностью к изменениям температуры (различие для разных типов датчиков по величине этой чувствительности составляет 250 раз - см. каталог [5]). К сожалению, не всегда удается выполнить это требование из-за габаритных, весовых, частотных, температурных или других требований [5].

2. Существенно уменьшать величину резистора в цепи обратной связи (см. фиг.1). Действительно, так как , то уменьшение R_oc позволит существенно снизить величину максимального выходного сигнала под действием паразитного пироэлектрического заряда, но в этом случае происходит существенное увеличение нижней граничной частоты зарядочувствительного усилителя , что недопустимо, особенно при пусковых режимах работы механизмов.

Цель настоящего изобретения является уменьшения влияния градиента температуры на стабильность выходного напряжения зарядочувствительного усилителя.

В предлагаемом изобретении поставленная цель достигается тем, что Измеритель электрических зарядов содержит входной операционный усилитель, первую и вторую параллельные RC-цепи и инвертор, вход которого соединен с выходом входного операционного усилителя, при этом первая параллельная RC-цепь включена между инвертирующим входом входного операционного усилителя и входом инвертора, а вторая параллельная RC-цепь - между неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом инвертора, при этом выход входного операционного усилителя является выходом измерителя электрических зарядов, отличающийся тем, что параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из k цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, конденсатора и второго электронного ключа, причем к выводу конденсатора, который соединен со вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей.

По другому варианту Измеритель электрических зарядов по п.1, отличается тем, что параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через упомянутые разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из m цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, резистора и второго электронного ключа, причем к выводу резистора, который соединен с вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей через конденсатор.

По третьему варианту Измеритель электрических зарядов по п.1, отличается тем, что между выходами датчика и входной цепью входного операционного усилителя подключены через упомянутые разделительные конденсаторы две группы из n цепочек, переключаемых одновременно, и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа и резистора.

По четвертому варианту Измеритель электрических зарядов по п.1, отличается тем, что с целью получения максимального подавления пироэлектрической помехи величины резисторов в первой и второй параллельной RC-цепи и разделительные конденсаторы вместе с последовательно соединенным с ним резистором выбираются в определенном соотношении друг с другом. Величина резисторов, деленные на корень из двух, в первой и второй параллельной RC-цепи должна равняться величине разделительной емкости, умноженной на величину последовательно соединенного с ней резистора и деленной на удвоенное значение емкости из первой и второй параллельной RC-цепи, умноженной на корень из двух и на отношение величин резисторов, соединенных с электронным ключом и резистором, включенным последовательно с разделительным конденсатором в каждой из двух групп из n цепочек, переключаемых одновременно.

Пути решения поставленной задачи.

Рассмотрим упрощенную схему симметричного зарядочувствительного усилителя-прототипа.

Такую схему усилителя заряда (фиг.3) используют с вибропреобразователями, пьезоэлемент которых не соединен с корпусом, а соединен с заземленным экраном через емкости линий сигнальных проводов и (на схеме не показаны). Оба плеча дифференциального усилителя заряда охвачены отрицательной обратной связью через емкость C _oc и сопротивление R_oc. На положительный вход сигнал по второй цепи C_OC и R_OC подается через инвертор.

Использование делителя (R ₁, R₂) цепи отрицательной обратной связи позволяет уменьшить величину R_oc в схеме прототипа (см. фиг.4). Конденсатор C_oc подключен непосредственно к выходу операционного усилителя. В этом случае величина постоянной времени цепи ОС будет равна . Полоса пропускания в области НЧ будет равна , т.е. расширится в раз.

Использование такого способа уменьшения R_oc имеет ряд недостатков: за счет уменьшения глубины R_oc пропорционально увеличивается коэффициент усиления по постоянному току и, следовательно, напряжение смещения операционного усилителя, т.е. воздействие пироэлектрического тока датчика, сохраняется.

Этого можно избежать, если включить последовательно с делителем R₁, R₂ разделительный конденсатор С_Р (см. фиг.5).

Делитель в цепи обратной связи в этом случае становится частотно-зависимым. Коэффициент передачи будет иметь вид:

; где =R_oc·C_oc; _k=R₂·C_k; .

Анализ, проведенный с использованием метода Брауде, показал, что максимально плоскую форму амплитудно-частотной характеристики можно получить только при выборе постоянной времени цепи коррекции из выражения

_K=R₂C_K=2 (а-1).

Амплитудно-частотная характеристика ЗЧУ без коррекции (1) и с коррекцией (2) a=10 в области НЧ представлена на фиг.6.

Как видно при сравнении кривых, АЧХ без коррекции имеет спад -20 дБ на декаду, а с коррекцией -40 дБ на декаду. Благодаря этому достигается существенное подавление низкочастотной пироэлектрической помехи. Например, на частоте 0.01 Гц подавление пироэлектрической помехи в усилителе без коррекции АЧХ составляет -25 дБ, а в усилителе с коррекцией -38 дБ.

Граничная частота усилителя с низкочастотной коррекцией по уровню -3 дБ равна и шире требуемой в раз. Соответствующее уменьшение R_OC и C _K позволяет получить требуемую полосу пропускания и дополнительное подавление пироэлектрической помехи на 6 дБ. Кривая (3) на фиг.6, подавление пироэлектрической помехи на частоте 0.01 Гц составляет -44 дБ.

Для сравнения на фиг.6 приведена кривая (4) - АЧХ усилителя без коррекции. Усилитель на частоте 0.01 Гц имеет тоже значение подавления пироэлектрической помехи, как и усилитель с коррекцией (3), но его нижняя граничная частота равна 1.5 Гц, что совершенно недостаточно для проведении испытаний на переходных режимах.

Экспериментальные исследования.

Результаты испытания пьезоэлектрического датчика типа АВС-132 на воздействие температурного градиента, подключенного ко входу зарядочувствительного усилителя с низкочастотной коррекцией.

Параметры зарядочувствительного усилителя с низкочастотной коррекцией:

1. Емкость в цепи обратной связи была выбрана исходя из чувствительности пьезоэлектрического датчика типа АВС-132 (0.7 пК/(м/с²), а также условий дальнейшей эксплуатации и равна 100 пФ. Величина выходного напряжения при виброускорении 100 g будет равна 7В.

2. Величина резистора в цепи обратной связи была выбрана исходя из значения нижней граничной частоты (f_H=1.5 Гц) и равна 10 ⁸ Ом.

3.Введена низкочастотная коррекция с коэффициентом a=R₁/R₂=10. Величина резистора R₁=20 МОм, резистора R₂=2 МОм. Величина емкости коррекции была выбрана больше оптимальной С_К =10 мкФ, что позволило получить требуемую полосу пропускания в области низких частот f_H=1.5 Гц со спадом АЧХ -20 дБ/дек.

Измерение воздействия градиента температуры проводилось по методике, предлагаемой фирмой Брюль и Къер при различных температурных перепадах.

Результаты экспериментальных исследований представлены на фиг.7.

Как видно из фиг.7, под воздействием паразитного пироэлектрического тока напряжение на выходе зарядочувствительного усилителя с низкочастотной коррекцией изменилось всего на 2.8 В даже при перепаде температур в 100°С. Зарядочувствительный усилитель сохранил работоспособность, и сигнал с его выхода был нормально обработан. Ограничения выходного сигнала с амплитудой +7 В не наблюдалось, т.к. максимальное значение выходного напряжения составляет +14 В у примененного операционного усилителя.

Эксперимент был также проведен для ЗЧУ с большим значением коэффициента коррекции АЧХ в области НЧ.

1. Емкости в цепи обратной связи была выбрана, как и в первом случае, исходя из чувствительности пьезоэлектрического датчика типа АВС-132 (0.7 пК/(м/с²)), а также из условий дальнейшей эксплуатации и равна 100 пФ.

2. Величина резистора в цепи обратной связи была выбрана исходя из значения нижней граничной частоты (f_H=1.5 Гц) и равна 3*10 ⁷ Ом.

3. Введена низкочастотная коррекция с коэффициентом а=R₁/R₂=30. Величина резистора R₁=20 МОм, резистора R₂=0.7 МОм. Величина емкости коррекции была выбрана больше оптимальной С_К =10 мкФ, что позволило получить требуемую полосу пропускания в области низких частот f_H=1.5 Гц со спадом АЧХ -20 дБ/дек.

Измерение воздействия градиента температуры проводилось по методике предложенной фирмой Брюль и Къер при различных температурных перепадах.

Результаты экспериментальных исследований представлены на фиг.8, из которой видно, что под воздействием паразитного пироэлектрического тока, напряжение на выходе зарядочувствительного усилителя с низкочастотной коррекцией изменилось всего на 0.93 В даже при перепаде температур в 100°С. Зарядочувствительный усилитель сохранил работоспособность, и сигнал с его выхода был нормально обработан.

Полученные результаты подтверждают правильность принятых мер по снижению влияния пироэлектрических токов, вызванных воздействием градиента температуры на пьезоэлектрический датчик, на уровень выходного напряжения ЗЧУ.

В предлагаемом изобретении для решения поставленной цели измеритель электрических зарядов (фиг.9) содержит входной операционный усилитель, первую и вторую параллельные RC-цепи и инвертор, вход которого соединен с выходом входного операционного усилителя, при этом первая параллельная RC-цепь включена между инвертирующим входом входного операционного усилителя и входом инвертора, а вторая параллельная RC-цепь - между неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом инвертора, при этом выход входного операционного усилителя является выходом измерителя электрических зарядов, при том, что параллельно, соответственно первой и второй параллельным RC-цепям, подключены во входной цепи входного операционного усилителя через разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из k цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, конденсатора и второго электронного ключа, причем к выводу конденсатора, который соединен с вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей.

По второму варианту параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через упомянутые разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из m цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, резистора и второго электронного ключа, причем к выводу резистора, который соединен с вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей через конденсатор.

По третьему варианту между выходами датчика и входной цепью входного операционного усилителя подключены через упомянутые разделительные конденсаторы две группы из n цепочек, переключаемых одновременно, и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа и резистора.

По четвертому варианту для получения максимального подавления пироэлектрической помехи величины резисторов в первой и второй параллельной RC-цепи и разделительные конденсаторы выбираются в определенном соотношении друг с другом.

Таким образом, симметричный зарядовый усилитель (фиг.9) выполнен на операционном усилителе (ОУ) 1 с высоким входным сопротивлением (например, типа TL062C) с параллельной обратной связью на RC-цепи 3, определяющей самую высокую чувствительность по заряду. Параллельно этой цепи по переменному току подключены k цепочек 5, позволяющие изменять чувствительность по заряду в требуемое число раз и состоящие из последовательно соединенных первого электронного ключа К4, конденсатора Ck и второго электронного ключа К5, причем к выводу конденсатора Ck, который соединен с вторым электронным ключом К5, подключен резистор R, соединенный с землей, служащий для устранения связи с выхода ОУ1 через разомкнутый второй электронный ключ К5. Также параллельно RC-цепи 3 включены m цепочек 4, позволяющие изменять нижнюю граничную частоту и состоящие из последовательно соединенных первого электронного ключа К2, резистора Rm и второго электронного ключа К3, причем к выводу резистора Rm, который соединен с вторым электронным ключом К3, подключен резистор R, соединенный с землей через разделительный конденсатор с целью устранения влияния паразитных сигналов датчика, вызванных воздействием градиента температуры. Когда электронные ключи К2, К3, К4 и К5 разомкнуты, то дополнительные цепочки не оказывают никакого влияния на работу ЗЧУ.

Дополнительно между выходами датчика измерителя электрических зарядов и входной цепью входного ОУ1 подключены через разделительные конденсаторы Ср 6 группа из n цепочек 8, переключаемых одновременно и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа К1 и резистора Rn.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

К входу симметричного зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ) (фиг.4) подключается симметричный пьезоэлектрический датчик ускорения, устанавливаемый на испытуемом механизме и работающий при больших перепадах температур.

Данный ЗЧУ состоит:

- из операционного усилителя ОУ1, охваченного отрицательной обратной связью через емкость C_OC, соединяющей инвертирующий вход и выход усилителя ОУ1, и резистор R_OC, соединенный с инвертирующим входом непосредственно и с выходом ОУ1 через частотно-зависимый делитель R₁, R₂ и С _Р (фиг.6);

- инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом передачи, охваченного отрицательной обратной связью через емкость C_OC (соединяет неинвертирующий вход ОУ1 с выходом ОУ1 через выход инвертирующего усилителя ОУ2 с единичным коэффициентом передачи) и резистор R_OC (соединен с инвертирующим входом непосредственно, а с выходом ОУ1 через частотно-зависимый делитель R₁, R₂ и С_Р, соединенной с выходом ОУ2).

Под действием вибраций посадочного места датчик вырабатывает заряд, пропорциональный величине воздействующего на него механического ускорения. Заряд поступает на вход ЗЧУ, где преобразуется в выходное напряжение с помощью емкостей в цепях обратной связи, охватывающей усилитель. Величина выходного сигнала U_ВЫХ=q*C _OC.

Одновременно, вместе с полезным сигналом на вход усилителя поступает паразитный сигнал I( t°, t), вызванный перепадами температур в месте установки датчика. Величина этого сигнала U_ВЫХ=I( t°, t)*R_OC. может значительно превышать полезный сигнал и нарушать нормальную работу аппаратуры (фиг.2).

Целью настоящего изобретения является уменьшение влияния воздействующих на пьезоэлектрический датчик перепадов температур, вызывающих генерацию больших зарядов, которые приводят к перегрузке ЗЧУ и выходу из строя соответствующего измерительного канала.

Использование частотно-зависимого делителя (R₁, R₂, С_Р) в цепи отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи

;

где =R_oc·C_oc; _k=R₂·C_k; позволяет уменьшить величину R_oc (фиг.6), а так как емкость C_oc подключена непосредственно к выходу операционного усилителя, то делитель практически не оказывает влияния на величину измеряемого полезного сигнала.

Анализ, проведенный с использованием метода Брауде, показал, что максимально плоскую форму амплитудно-частотной характеристики измерительного канала с заданной полосой пропускания можно получить только при выборе постоянной времени цепи коррекции из выражения _K=R₂C_K=2 (a-1) и уменьшении R_oc и C_K в раз. В этом случае будет достигнуто максимальное подавление пироэлектрической помехи.

Амплитудно-частотная характеристика ЗЧУ с коррекцией (3) и без коррекции (1) в области низких частот представлена на фиг.6. Из него видно, что полоса пропускания в области низких частот сохранилась неизменной, несмотря на уменьшение величины сопротивления R_oc. При этом уменьшение R_oc в раз уменьшает влияние паразитного сигнала I( t°, t) во столько же раз.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает надежное и неискаженное измерение вибрационных параметров машинного оборудования пьезоэлектрическими датчиками в реальных условиях воздействия на них больших градиентов температур, что и являлось целью настоящего изобретения.

Литература

1. Максимов В.П. и др. Измерение, обработка и анализ быстропеременных процессов в машинах, М.: Машиностроение, 1987, 208 с. (ил. с.37).

2. В.М.Шарапов, И.Г.Минаев, Ю.Ю.Бондаренко, Т.Ю.Кисиль, М.П.Мусиенко, С.В.Роттэ, И.Б.Чудаева. Пьезоэлектрические преобразователи, Черкассы, ЧГТУ, 2004. 435 с.

3. Дж.Барфут, Дж.Тейлор. Полярные диэлектрики и их применение. Изд. "МИР", Москва, 1981, 467 с. (§7 Пироэлектрические применения, с.441; §8 Применение сегнетоэлектриков в качестве пьезопреобразователей. С.448).

4. Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. М., Техносфера, 2005, 592 с. ISBN 5-94836-050-4 (разделы: 2.17 Факторы окружающей среды, с.51; 3.6 Пьезоэлектрический эффект, с.90; 3.7 Пироэлектрический эффект, с.100; формула 3.81; рис.3.29 Реакция пироэлектрического чувствительного элемента на тепловую ступенчатую функцию; 5.2.4. Усилители заряда, с.184; рис.5.12Б, с.186).

5. http://bruel.ru/UserFiles/File/catalog.pdf Официальное эксклюзивное представительство Bruel & Kjear в России.

6. Патент RU № 2260245.