Устройство для дистанционного измерения параметров сигнала пьезодатчика

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам дистанционного контроля параметров пьезодатчиков. Устройство содержит пьезодатчик с нагрузкой, электроды которого соединены со входом усилителя тока, выход которого соединен кабельной измерительной линией с регистратором. Нагрузка пьезодатчика выполнена в виде омического делителя напряжения. Низкоомное плечо делителя образовано волновым сопротивлением кабеля дополнительной измерительной линии, соединенной с дополнительным регистратором. При этом параметры электрической схемы выбраны из следующих условий: R_ДЕЛ<<R_УС; R_ДЕЛС_ПД<<τ_сигн, где R_ДЕЛ - полное сопротивление омического делителя; R_УC - входное сопротивление усилителя тока; С_ПД - емкость пьезодатчика; τ_сигн - характерная длительность сигнала пьезодатчика. Технический результат - повышение информативности выполняемых измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при исследовании быстропротекающих процессов для регистрации амплитудно-временных характеристик сигнала, генерируемого пьезодатчиком с перепадом регистрируемой величины напряжения в тысячу и более раз, на фоне сильных электромагнитных наводок, сравнимых или превосходящих по величине низкоамплитудную часть сигнала.

Известно устройство регистрации сигнала пьезодатчика, содержащее пьезодатчик, соединенный кабелем измерительной линии с удаленным от датчика регистратором (см. ′′Explosive. Gun & Impact Testing′′. PCB Piezotronics Inc. www.pcb.com). Указанное устройство используется для случая, когда амплитуда электромагнитной наводки на кабеле измерительной линии мала по сравнению с амплитудой сигнала пьезодатчика и ее воздействием на возможность регистрации сигнала можно пренебречь. При этом напряжение сигнала, поступающее на регистратор, определяется в виде

V_КАБ(t)=I(t)·R_КАБ,

где I(t) - ток пьезодатчика, R_КАБ - волновое сопротивление кабеля.

Недостаток известного устройства заключается в том, что регистрация сигнала пьезодатчика при наличии электромагнитной наводки на кабеле измерительной линии, превосходящей по величине амплитуду сигнала, становится невозможной.

Известно устройство для дистанционного измерения параметров сигнала пьезодатчика (см. C.S. Speight, L. Harper, V.S. Smeeton «Piezoelectric probe for detection of shock-induced spray and spall», Rev. Sci. Instrum. 60(12), 3802, 1989), содержащее пьезодатчик с нагрузкой в виде параллельно соединенных между собой емкости и резистора, подключенных параллельно электродам пьезодатчика. При этом электроды соединены со входом усилителя тока, выход которого соединен кабельной линией с регистратором.

В известном устройстве, выбранном в качестве прототипа, усилителем тока является эмиттерный повторитель, который обеспечивает согласование импедансов нагрузки пьезодатчика и кабельной линии, производя усиление тока сигнала при сохранении неизменным его напряжения.

Недостаток прототипа заключается в том, что он может быть применен только для случая, когда усилитель тока передает без искажений как низкоамплитудную, так и высокоамплитудную части сигнала. В случае, когда величина тока сигнала пьезодатчика изменяется в тысячи раз, а усилитель тока пропускает без искажений только сигнал, величина тока которого изменяется в сотни раз, произойдет потеря высокоамплитудной части сигнала (см. И.П. Жеребцов, «Основы электроники», Ленинград Энергоатомиздат, 1985, стр. 67-68).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такого устройства для дистанционного измерения параметров сигнала пьезодатчика, которое позволяет без искажения измерять как низкоамплитудную, так и высокоамплитудную части сигнала, отличающиеся по величине в тысячи раз, в условиях действия на кабель измерительной линии сильных электромагнитных наводок, сравнимых или превышающих по величине низкоамплитудную часть сигнала.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в повышении информативности выполняемых измерений.

Это достигается тем, что в устройстве для дистанционного измерения параметров сигнала пьезодатчика, содержащем пьезодатчик с нагрузкой, электроды которого соединены со входом усилителя тока, выход которого соединен кабельной измерительной линией с регистратором, новым является то, что нагрузка пьезодатчика выполнена в виде омического делителя напряжения, низкоомное плечо которого образовано волновым сопротивлением кабеля дополнительной измерительной линии, соединенной с дополнительным регистратором, при этом параметры электрической схемы выбраны из следующих условий:

где R_ДЕЛ - полное сопротивление омического делителя напряжения;

R_УС - входное сопротивление усилителя тока;

С_ПД - емкость пьезодатчика;

τ_сигн - характерная длительность сигнала пьезодатчика.

Включение в цепь пьезодатчика активной нагрузки в виде омического делителя приводит к генерированию на его электродах электрического напряжения, пропорционального по величине сопротивлению нагрузки, поскольку пьезодатчик по своей природе является генератором тока, величина которого не зависит от величины нагрузки датчика. При этом форма сигнала пьезодатчика практически не будет зависеть от величины сопротивления нагрузки при выполнении условия R_ДЕЛ<<R_УС и условия короткозамкнутости цепи датчика - R_ДЕЛС_ПД<<τ_сигн. Это свойство пьезодатчика позволяет осуществить усиление напряжения низкоамплитудной части генерируемого датчиком сигнала до величины, превышающей амплитуду действующей на измерительный кабель электромагнитной наводки. В свою очередь, выполнение нагрузки пьезодатчика в виде омического делителя, низкоомное плечо которого образовано волновым сопротивлением кабеля дополнительной измерительной линии с учетом условия (1), позволяет передавать на дополнительный регистратор, не опасаясь электромагнитной наводки, высокоамплитудную часть сигнала, превосходящую низкоамплитудную его часть в тысячи раз.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет регистрировать как низкоамплитудную, так и высокоамплитудную части сигнала.

На приведенной фигуре представлена электрическая схема заявляемого устройства.

Заявляемое устройство включает в себя пьезодатчик 1 с нагрузкой и усилитель тока 2, в качестве которого может быть использован, например, эмиттерный повторитель. Электроды пьезодатчика 1 соединены со входом усилителя тока 2, выход которого соединен кабельной измерительной линией 3 с регистратором 4. Нагрузка пьезодатчика 1 выполнена в виде омического делителя, высокоомным плечом которого является резистор 5 сопротивлением R, а низкоомным - волновое сопротивление кабеля R_КАБ дополнительной измерительной линии 6, соединенной с дополнительным регистратором 7. Здесь величина нагрузки (R_ДЕЛ=R+R_КАБ), используемой для усиления низкоамплитудной части сигнала, подбирается за счет величины сопротивления R так, чтобы усиление низкоамплитудной части сигнала произошло до уровня, превышающего величину электромагнитной наводки на кабель измерительной линии 3 хотя бы на порядок. Параметры электрической схемы заявляемого устройства выбраны также из условия (1). При этом длительность τ_сигн является заданной величиной и определяется временем регистрируемого процесса.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Ток пьезодатчика 1-I(t) поступает через нагрузку пьезодатчика, сопротивление которой равно R_ДЕЛ=R+R_КАБ, и создает на ней и на входе усилителя тока 2, включенного параллельно нагрузке, напряжение сигнала пьезодатчика V_ПД(t)=I(t)·(R+R_КАБ), состоящее из низкоамплитудной и высокоамплитудной частей. Низкоамплитудная часть сигнала проходит через усилитель тока 2 и кабельную измерительную линию 3 к регистратору 4 без искажений, а его высокоамплитудная часть, величина которой выходит за пределы рабочего диапазона усилителя тока 2, теряется.

Этот же ток I(t), протекая через волновое сопротивление кабеля R_КАБ дополнительной измерительной линии 6, образующего низкоомное плечо омического делителя, создает на нем напряжение V_КАБ(t)=I(t)·R_КАБ (подобное по форме напряжению V_ПД(t)=I(t)·(R+R_КАБ)), которое далее поступает на вход дополнительного регистратора 7. Часть этого напряжения, соответствующая низкоамплитудной части сигнала пьезодатчика 1, теряется из-за действующей на измерительную линию 6 электромагнитной наводки, а другая его часть, соответствующая высокоамплитудной части сигнала пьезодатчика 1, будет зарегистрирована дополнительным регистратором 7. После этого, с учетом коэффициента деления омического делителя $$\frac{R+R_{КАБ}}{R_{КАБ}}$$ зарегистрированная часть сигнала приводится по значению к величине напряжения высокоамплитудной части сигнала пьезодатчика 1 $$(V_{КАБ}\left(t\right)\cdot \frac{R+R_{КАБ}}{R_{КАБ}})$$ , которая была потеряна при прохождении по цепи усилителя тока 2.

Далее зарегистрированные регистраторами 4 и 7 низкоамплитудная и высокоамплитудная части сигнала будут «сшиты» между собой в одной из временных точек интервала значений сигнала, в котором значения напряжений низкоамплитудной и высокоамплитудной частей сигнала совпадают. Таким образом, будет получен полный сигнал пьезодатчика, содержащий как низкоамплитудную, так и высокоамплитудную части.

Проведенные лабораторные исследования подтвердили, что устройство, предлагаемое для регистрации сигнала пьезодатчика, величина напряжения которого изменяется в тысячи раз, позволяет проводить его регистрацию в условиях действия на кабели измерительных линий сильных электромагнитных наводок.

Устройство для дистанционного измерения параметров сигнала пьезодатчика, содержащее пьезодатчик с нагрузкой, электроды которого соединены со входом усилителя тока, выход которого соединен кабельной измерительной линией с регистратором, отличающееся тем, что нагрузка пьезодатчика выполнена в виде омического делителя напряжения, низкоомное плечо которого образовано волновым сопротивлением кабеля дополнительной измерительной линии, соединенной с дополнительным регистратором, при этом параметры электрической схемы выбраны из следующих условий:
R_ДЕЛ<<R_УС;
R_ДЕЛC_ПД<<τ_сигн,
где R_ДЕЛ - полное сопротивление омического делителя;
R_УС - входное сопротивление усилителя тока;
C_ПД - емкость пьезодатчика;
τ_сигн - характерная длительность сигнала пьезодатчика.