Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Техническим результатом является повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины. Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), включенный по переменному току между входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5), выход (6) которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания (7). Выход устройства (6) соединен со входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5) через последовательно соединенные корректирующий конденсатор (8) и дополнительный инвертирующий усилитель тока (9). 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин.

По физической природе измеряемых сигналов датчики классифицируются на электрические, электромагнитные, акустические, оптические и т.д., и, в этой связи, они присутствуют в разных классах МПК. Заявляемое техническое решение относится одновременно ко многим из перечисленных датчиков, выходной электрический сигнал которых функционально связан с измеряемым физическим параметром тех или иных объектов техники, физики, химии, биологии, медицины, ближнего и дальнего космоса и т.п. [1-18].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин (светового потока) с потенциальным выходом, представленный в патенте US 6.906.325, который содержит сенсор 1 (фотодиод) с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7.

Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники - акселерометры, датчики температуры, датчики деформации, датчики оптического излучения, датчики удара, радиации, датчики акустических сигналов, датчики тока и т.п.

Существенный недостаток известного датчика-прототипа состоит в том, что его быстродействие ограничивается внутренней емкостью 2, являющейся неотъемлемой частью сенсорного элемента 1, генерирующего электрический сигнал, пропорциональный измеряемой физической величине.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины.

Поставленная задача решается тем, что в датчике физических величин с потенциальным выходом фиг.2, содержащем сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 6 соединен со входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный инвертирующий усилитель тока 9.

На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.

На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена практическая схема датчика на инвертирующих функциональных узлах в среде PSpice.

На чертеже фиг.4 показана зависимость времени установления выходного импульса напряжения датчика от значения емкости C_k при сопротивлении R₀=10Ком и ΔI_ф=ΔI₁=60 мкА. Из рисунка видно, что за счет введения новых связей время установления переходного процесса выходного напряжения уменьшается. Чем ближе значение C_k=C₈ к C_2, тем меньше становится t_уст. При C_k=C₈≈C₀ время установления уменьшается на несколько порядков.

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом (фиг.2) содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7. Выход устройства 6 соединен со входом 4 инвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный инвертирующий усилитель тока 9.

Рассмотрим работу датчиков фиг.1 и фиг.2.

Комплексная передаточная функция и верхняя граничная частота f_В (по уровню -3 дБ) датчика физических величин - прототипа фиг.1 определяются формулами

$$W\left(j\omega \right)=\frac{{\dot{U}}_{вых}}{{\dot{I}}_{ф}}=\frac{R_3}{1+j\omega {\tau }_{в}},\left(1\right)$$

$$f_{в}=\frac{1}{2\pi {\tau }_{в}},\left(2\right)$$

где τ_в=R₃C₂ - постоянная времени сенсора 1;

R₃ - эквивалентное внутреннее сопротивление сенсора 1, учитывающее входное сопротивление инвертирующего буферного усилителя напряжения 5;

C₂ - внутренняя емкость сенсора 1.

В заявляемой схеме фиг.2 аналогичная передаточная функция

$$W\left(j\omega \right)=\frac{R_3}{1+j\omega C_2{R}_3\left(1-{\dot{K}}_i{\dot{K}}_y\frac{C_8}{C_2}\right){\tau }_{в}},\left(3\right)$$

где $${\dot{K}}_i\approx -1$$ - комплексный коэффициент передачи по току дополнительного инвертирующего усилителя тока 9;

$$K_y\approx -1$$ - комплексный коэффициент передачи по напряжению инвертирующего буферного усилителя напряжения 5;

C₂, C₈ - внутренняя емкость 2 и емкость корректирующего конденсатора 8.

Если в рабочем диапазоне частот обеспечить $${\dot{K}}_y=K_y\approx -1$$ , $${\dot{K}}_i=K_i\approx -1$$ , C₈=C₂, то в схеме фиг.2 реализуется в N-раз более высокие значения верхней граничной частоты

$$f_{в}^{*}\approx \frac{1}{2\pi {С}_2{R}_3\left(1-T\right)},\left(4\right)$$

$$N=\frac{f_{в}^{*}}{f_{в}}\approx \frac{1}{1-T}>>\mathrm{1,}\left(5\right)$$

где $$f_{в}^{*}$$ , $$f_{в}^{}$$ - верхние граничные частоты предлагаемого ( $$f_{в}^{*}$$ ) и известного ( $$f_{в}^{}$$ ) устройств;

$$T=K_i{K}_y\frac{C_8}{C_2}\le 1$$ - петлевое усиление.

По мере приближения расчетных значений $$f_{в}^{*}$$ заявляемого устройства к верхним граничным частотам инвертирующего буферного усилителя напряжения 5 (f_в5) и дополнительного инвертирующего усилителя тока 9 (f_в9) эффективность заявляемого устройства будет уменьшаться. Однако практическая реализация данных функциональных узлов с $$f_{в5}>>f_{в}^{*}$$ и $$f_{в9}>>f_{в}^{*}$$ , имеющих единичное усиление, не вызывает проблем для многих применений схемы фиг.2 с различными типами сенсоров 1.

Существенное увеличение $$f_{в}^{*}$$ заявляемого устройства соответствует (во временной области) существенному уменьшению времени установления переходного процесса t_уст (фиг.4), что характерно для линейных систем.

Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2007/0126507.

2. Патент US 5.661.435, fig.1.

3. Патент US 6.714.082, fig.2.

4. Патент US 5.889.605, fig.1.

5. Патентная заявка US 2008/0309407.

6. Патент US 4.492.931, fig.2.

7. Патентная заявка US 2006/0109057, fig.1.

8. Патентная заявка US 2006/0220747.

9. Патентная заявка US 2010/0312080.

10. Патент RU 2339973, fig.2А.

11. Патент US 7.547.902.

12. Патент US 7.343.103.

13. Патент US 7.167.655.

14. Патентная заявка US 2008/0075473, fig.1.

15. Патент US 4.674.093, fig.1.

16. Патент US 5.343.034, fig.2.

17. Патент EP 0165312, fig.1.

18. Патент EP 0720729, fig.2.

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом, содержащий сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), включенный по переменному току между входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5), выход (6) которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания (7), отличающийся тем, что выход устройства (6) соединен со входом (4) инвертирующего буферного усилителя напряжения (5) через последовательно соединенные корректирующий конденсатор (8) и дополнительный инвертирующий усилитель тока (9).