Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом



Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом
Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

 


Владельцы патента RU 2523122:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Технический результат: повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости сенсора на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины. Для этого предложен быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом, который содержит сенсор с внутренней емкостью и внутренним сопротивлением, включенный по переменному току между входом неинвертирующего буферного усилителя напряжения, выход которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания. Выход устройства соединен со входом неинвертирующего буферного усилителя напряжения через последовательно соединенные корректирующий конденсатор и дополнительный неинвертирующий усилитель тока. 2 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.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин с потенциальным выходом, представленный в учебном пособии Топильского В.Б. «Схемотехника измерительных устройств / В.Б.Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - С.125. - Рис.3.11 б», который содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7.

Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники [1-20] - акселерометры, датчики температуры [15], датчики деформации, датчики оптического излучения [1, 3-9, 17-19], датчики удара [10, 13], радиации [16], датчики акустических сигналов [14], датчики тока [11, 2] 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 неинвертирующего 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 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный неинвертирующий усилитель тока 9.

На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.

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

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 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7. Выход устройства 6 соединен со входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный неинвертирующий усилитель тока 9.

Рассмотрим работу датчиков фиг.1 и фиг.2.

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

W ( j ω ) = U ˙ в ы х I ˙ 1 = R 3 1 + j ω τ в ,                                              ( 1 )

f в = 1 2 π τ в ,                                                                    ( 2 )

где τв=R3С2 - постоянная времени сенсора 1;

R3 - внутреннее сопротивление сенсора 1;

С2 - внутренняя емкость сенсора 1.

В заявляемой схеме фиг.2 аналогичная передаточная функция

W ( j ω ) = R 3 1 + j ω C 2 R 3 ( 1 K ˙ i K ˙ y C 8 C 2 ) ,                                   ( 3 )

где K ˙ i 1 - комплексный коэффициент передачи по току дополнительного усилителя тока 9;

Кy≈1 - комплексный коэффициент передачи по напряжению неинвертирующего буферного усилителя 5;

С2, C8 - внутренняя емкость 2 и емкость корректирующего конденсатора 8.

Если в рабочем диапазоне частот обеспечить K ˙ y = K y 1 , K ˙ i = K i 1 , C8=C2, то в схеме фиг.2 реализуется в N-раз более высокие значения верхней граничной частоты

f в * 1 2 π C 2 R 3 ( 1 T ) ,                                                        ( 4 )

N = f в * f в 1 1 T > > 1,                                                   ( 5 )

где f в * , fв - верхние граничные частоты предлагаемого ( f в * ) и известного (fв) устройств;

T = K i K y C 8 C 2 < 1 .

По мере приближения расчетных значений f в * заявляемого устройства к верхним граничным частотам неинвертирующего буферного усилителя 5 (fв5) и дополнительного усилителя тока 9 (fв9) эффективность заявляемого устройства будет уменьшаться. Однако практическая реализация данных функциональных узлов с f в 5 > > f в * и f в 9 > > f в * , имеющих единичное усиление, не вызывает проблем для многих применений схемы фиг.2 с различными типами сенсоров 1.

Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Филипп С.Д.Хоббс. Усилители для фотодиодов на операционных усилителях / Филипп С.Д.Хоббс; перевод: Дмитрий Иоффе // Компоненты и технологии. - №3. - 2009. - Рис.7а.

2. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б.Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - С.164. - Рис.3.52.

3. Патент US 4.292.514 fig.1.

4. Патенти US 599.527.

5. Патент US 5.270.533 fig.1.

6. Патент US 5.867.066 fig.1.

7. Патент ЕР 0977353 fig.2.

8. Патент US 6.753.733 fig.1, fig.2.

9. Патент ЕР 0098662 fig.1.

10. Патент WO/2006/130828.

11. Патент СА 2069858.

12. Патент US 4.487.063.

13. Патент US 6.407.631.

14. Патентная заявка US 2007/0297623.

15. Патентная заявка US 2008/0082291.

16. Патент US 7.911.278 fig.1.

17. Патент US 4.492.931.

18. Патент US 6.417.504 fig.1.

19. Патент US 4.535.233 fig.2a.

20. Патент ЕР 1010237 fig.4.

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) неинвертирующего 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) неинвертирующего буферного усилителя напряжения (5) через последовательно соединенные корректирующий конденсатор (8) и дополнительный неинвертирующий усилитель тока (9).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к комбинированному усилителю (3, 4, 120), радиостанции (100), включающей в себя такой комбинированный усилитель, и к способу повышения кпд такого комбинированного усилителя в частности.

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в радиопередающих устройствах. .

Изобретение относится к технике усиления мощности (УМ) электрических сигналов (С) и может быть использовано в УМ акустических систем, автоматики, измерительной и преобразовательной техники.

Изобретение относится к технике усиления мощности электрических сигналов и может быть использовано в усилителях мощности устройств воспроизведения звука, а также в устройствах автоматики, измерительной и преобразовательной техники.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиостанциях повышенной надежности, в системах многоканальной связи. .

Изобретение относится к области радиоэлектроники и автоматики. .

Изобретение относится к усилительному устройству для выработки усиленного сигнала в ответ на входной сигнал таким образом, чтобы обеспечивалось повышение КПД при одновременном сохранении линейности.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании усилителей СВЧ на электронных лампах, транзисторах, других активных элементах. .

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах с регулируемой мощностью излучения. .

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов в машиностроении и предназначено для контроля положения металлических изделий и исполнительных органов технологического оборудования без механического контакта с ними.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для измерения величины переменного тока, протекающего по проводам высоковольтных линий электропередач и по высоковольтному оборудованию подстанций.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменного тока приборов учета и регистрации электроэнергии.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к электрическим приборам, которые могут быть использованы для измерения высоких напряжений. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при создании цифровых приборов с первичными преобразователями, имеющими нелинейную характеристику, например, в неразрушающем контроле толщины покрытий.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерений высоких напряжений. Высоковольтный делитель напряжений содержит высоковольтный и заземленный электроды, закрепленные на торцах изоляционного цилиндра, и расположенные между ними последовательно соединенные R-C-r блоки, расположенные по цилиндрической винтовой линии, шаг которой равен s=(H×n)/N (где N - число R-C-r блоков в высоковольтном плече, Н - высота рабочего пространства высоковольтного плеча; n - число блоков в витке спирали). Также устройство содержит тарельчатые электроды с отверстиями в центрах, установленные по краям печатных плат и с зазорами между электродами и цилиндрическим корпусом t=0.8-1 мм. При этом соединение плат выполнено в виде прямой призмы, точки соединения расположены по краям платы и смещены относительно узкой стороны платы, принятой за базу, на (k-1)×(L/n)×tgα и k×(L/n)×tgα (где k - порядковый номер плат, выбираемый из ряда 1, 2, …, n, α - угол наклона оси блока к базе, L - длина периметра вписанного многоугольника с числом сторон n). Технический результат - расширение функциональных возможностей, уменьшение габаритов делителя и повышение устойчивости конструкции к внешним механическим воздействиям. 2 ил.
Наверх