GlobalTest » Продукция » Схемы подключения » Рекомендуемые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом

Рекомендуемые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом

Основным элементом измерительных цепей пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом являются предусилители. Главная задача предусилителей – преобразование высокого выходного импеданса датчика в более низкий, допускающий непосредственное соединение датчика с относительно низкоимпедансной измерительной, анализирующей или регистрирующей аппаратурой (например, осциллографом с сопротивлением по входу Rвх=1 МОм, анализатором спектра с сопротивлением по входу Rвх=100 кОм и т.д.). К другим задачам предусилителей относятся:

  • согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) используемой аппаратуры;
  • интегрирование пропорциональных ускорению сигналов пьезоэлектрических датчиков и, следовательно, получение сигналов, пропорциональных скорости или перемещению механических колебаний;
  • сигнализация о перегрузке по входу и выходу;
  • фильтрация обрабатываемых сигналов и, следовательно, исключение ненужных или нежелательных составляющих этих сигналов.

Входной каскад усилителей заряда состоит из операционного усилителя с емкостью обратной связи и, по существу, является электронным интегратором, поступающего на его вход электрического тока. Напряжение на выходе последнего Uвых определяется из выражения [2]:

 

(1)

 

 

где    Qg – электрический заряд датчика, пропорциональный виброускорению;

А – коэффициент усиления операционного усилителя;

Сос – емкость цепи обратной связи;

Cg – емкость датчика;

Cк – емкость соединительно кабеля;

Свх – емкость входной цепи усилителя.

 

С учетом присущего современным операционным усилителям большого значения коэффициента усиления (А ? 105), малой емкости входной цепи (Свх < 5пФ) и при условии Ск < А·Сос выражение (1) принимает вид:

 

(2)

 

 

Из выражения (2) следует, что выходное напряжение входного каскада усилителя заряда пропорционально емкости обратной связи, т.е. коэффициент преобразования по заряду усилителя почти не изменяется при изменении емкости соединительного кабеля. Применение соединительных кабелей большой длины и, соответственно, большой емкости Ск,, оказывает влияние на общую чувствительность по заряду канала, уменьшает отношение сигнал/шум, обуславливает небольшой спад амплитудно-частотной характеристики (на ? 5%) в области высоких частот ( >20кГц).

Определим максимальную длину соединительного кабеля, в результате применения которого общая чувствительность по заряду канала «датчик – усилитель» изменится не более чем на 1%.

При предположении равных Сос= Cg=1 нФ и А=105 из приведенного ранее выражения (1) следует, что:

 

Cк=0,01(А+1) Сос=0,01(105+1)1нФ=103 нФ.

 

Вычисленное значение соответствует длине кабеля 10 000 м при погонной емкости 100пФ/м. Емкость цепи обратной связи Сос находится в пределах от 100 пФ до 10 нФ, что соответствует коэффициентам преобразования по заряду усилителя от 10 до 0,1 мВ/пКл.

Применение соединительных кабелей большой длины и малых значений коэффициента преобразования по заряду усилителя сопровождается увеличением собственного шума и, следовательно, уменьшением общего отношения сигнала к шуму. Это следует из выражения, определяющего эквивалентный шум по заряду q [2]:

 

, (3)

 

где    Uш – среднеквадратическое значение шума, приведенное ко входу, мкВ;

Cк – емкость кабеля, нФ;

Сос -  емкость цепи обратной связи, нФ.

 

Перечисленные выше задачи решают  усилители [1]:

  • усилители заряда АР5000, AQ02, AQ07, AQ07-01, АР5220-8, АР5220-16;
  • усилители заряда дифференциальные АР5001, AQ05, AQ08;
  • усилители заряда и напряжения АР5020, АР5230-16;
  • измерительные усилители заряда и напряжения АР5100, АР5200, АР5200-3, АР5200-4, АР5200-8-19”, АР5210-4;
  • усилители напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии GT200A, GT200A-01, GT400А;
  • усилители заряда преобразователей акстической эмиссии GT500A, GT500A-01, GT500B.

 

Для передачи сигналов от датчиков с зарядовым выходом  (вибропреобразователей (рис.1), датчиков силы (рис.2), датчиков динамического (рис. 3), преобразователей акустической  эмиссии (рис.4)) к усилителю заряда или непосредственно к регистрирующей аппаратуре, имеющей предусилитель заряда в своем составе, используется антивибрационный малошумящий кабель. Однако при измерении ускорений низкого уровня (единицы «g») могут появляться эффекты, связанные с трибоэлектрическими явлениями в кабеле. При ударных нагружениях данный эффект пропорционален длине колеблющейся (незакрепленной) части кабеля и длительности ударного нагружения. При длительностях ударного нагружения до 10-20мс его влияние на результат измерений незначительно. В то же время при низкочастотных колебаниях влияние трибоэлектричества на результат измерения может оказаться решающем. Поэтому при измерениях ускорений низкого уровня целесообразно:

  • уменьшать длину участков кабеля, подвергающихся вибрационным или ударным возмущениям;
  • уменьшать длину участка кабеля, расположенного между последней точкой крепления его на подвижном объекте и первой неподвижной точкой;
  • производить крепление кабеля на объекте испытаний без натяжения и провисания при помощи хомутов, скоб, мастик и т.д. с шагом 200-300мм и первой точкой крепления, отстоящей на 30-50мм от датчика (2-5мм для АР19);
  • перед испытаниями (если возможно) определять уровень сигнала, обусловленного трибоэлектричеством в кабельных линиях «вибропреобразователь – регистрирующая аппаратура», используя в процессе испытаний «фоновые» линии связи (или «фоновые» вибропреобразователи);
  • для преобразователей акустической эмиссии, работающих в частотном диапазоне от 50кГц, использование антивибрационного кабеля не обязательно.

 

 

Рис. 1. Вибропреобразователи с зарядовым выходом

 


Рис. 2. Датчики силы

 


Рис. 3. Датчики динамического давления

 


Рис. 4. Преобразователи акустической эмиссии

 

Выбор согласующих усилителей рекомендуется проводить исходя из:

  • обычного или дифференциального исполнения датчика;
  • необходимого коэффициента усиления, возможности изменения коэффициента усиления;
  • необходимости управления и связи через компьютер;
  • количества каналов усиления;
  • требований по сертификации в Госреестре и на взрывозащиту.

 

 

Пример схем подключения пьезоэлектрических вибропреобразователей, датчиков давления, датчиков силы, преобразователей акустической эмиссии с зарядовым выходом к регистрирующей аппаратуре (например, цифровому осциллографу TDS3034B “Tektronis”,  анализатору спектра Siglab “SPECTRA DYNAMIC”,  анализатору спектра А17-U2 (А19-U2) “ZETlab”, анализатору спектра высокочастотному А23 “ZETlab”) приведены на рис. 5…16 .

a)

 

 

 

АР – АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АP97, АР48, АР49, АР50;

АР5000 – усилитель заряда;

AS07 – блок питания;

AS05 – блок питания;

АК1 – антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07

АК2, АК3 – соединительный кабель АК19;

Регистрирующая аппаратура – например, цифровой осциллограф TDS3034B “Tektronix”.

 

б)

 

Рис. 5. Пример схемы подключения а) и ее реализация                                      б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом с разъемным соединением и усилителем заряда АР5000

 

 

В схеме подключения рис.5 блок питания AS07 осуществляет:

  • электропитание  усилителя заряда АР5000;
  • усиление сигнала;
  • передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
  • подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100м;
  • снижение влияния переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения;
  • согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины с параметрами сигналов (в частности, чувствительности) используемой регистрирующей аппаратуры.

а)

 

 

АР – АР11, АР12, АР19, АР30, АР31, АР32, АР33, АР77, АР77М, АР90, АР78;

АР5000 – усилитель заряда;

AG01(AG02) – согласующее устройство;

AS03 – блок питания;

АК2, АК3 – соединительный кабель АК19;

Регистрирующая аппаратура – например, цифровой  анализаторы спектра Siglab 50-21 “SPECTRA DYNAMIC”.

 

 

б)

 

Рис. 6. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля  с усилителем заряда АР5000

Согласующее устройство AG01(AG02) в схеме подключения рис.6 осуществляет:

  • электропитание усилителя заряда АР5000, передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
  • согласующее устройство AG02 снижает влияние переходных процессов, возникающих при переключении каналов на результат измерения
  • подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100м.

 

а)

 

АР – АР20, АР1020, АР21, АР22, АР23, АР38,  АР79 АР80, АР81;

АР5200-3 – измерительный усилитель напряжения и заряда;

AS05-01 – блок питания;

АК – соединительный кабель АК19;

Регистрирующая аппаратура – например, цифровой осциллограф TDS3034B “Tektronix”.

 

б)

 

Рис. 7. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б) для трехкомпонентного вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с измерительным усилителем напряжения и заряда АР5200-3.

 

 

Трехканальный измерительный усилитель заряда и напряжения АР5200-3 в схеме подключения рис.7 обеспечивает  измерение ускорения, в режиме нормирования СКЗ  одновременно по трем осям датчика и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов используемой регистрирующей аппаратуры.

 

Пример измерения СКЗ  ускорения измерительным усилителем АР5200-3  при ожидаемом значении ускорения ? ? 50g в частотном диапазоне 1…10000 Гц. Коэффициент преобразования по заряду используемого датчика  S=10,3 пКл/g.

Последовательность действий должна быть следующая:

  • установить датчик на объект  согласно эксплуатационной документации на датчик;
  • подключить выход датчика к входу усилителя;
  • установить значение частоты среза фильтров верхних ФВЧ и нижних ФНЧ частот H1 и L10;
  • установить коэффициент нормирования Кн , используя значение чувствительности S (в пКл/g)  используемого датчика в соответствии с выражением

Кн = S/10n

где    n = 1, 2, … для S > 9.99

n = 0 для 1 ?  S ? 9.99

n = -1, -2, … для S < 1

соответственно,  Кн = S/10n = 10.3/10 = 1.03

  • установить коэффициент преобразования по заряду Кп [мВ/пКл] из ряда 1, 10,100, 1000 руководствуясь соотношением

Umax·Кн

Кп ?      a·S

где Umax – максимальное выходное напряжение усилителя (10 В), соответственно Кп = 10;

  • выполнить измерение виброускорения и определить СКЗ ускорения ? согласно выражению

Uизм [мВ]·Кн(1.03)

? =  S [10,3пКл/q] · Кп(10 мВ/пКл)

где Uизм – измеренное значение напряжения на выходе усилителя по показаниям дисплея.

а)

 

 

АР1 – АР26, АР38Р;

АР2 – АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АР47, АР48, АР50;

АР5210-4 – измерительный усилитель заряда и напряжения;

АК1 – антивибрационный соединительный кабель АК03, АК03-01, АК11;

АК2 – антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07;

АК3 – интерфейсный кабель USB;

Регистрирующая аппаратура – например, персональный компьютер.

 

б)

 

Рис. 8. Пример схемы подключения а) и ее реализация б) для трехкомпонентного и однокомпонентного датчика с зарядовым выходом и  разъемным соединением с четырехканальным измерительным усилителем напряжения и заряда АР5210-4.

 

Управление режимом работы измерительного усилителя напряжения и заряда АР5210-4 в схеме подключения рис.8, включая питание, нормирование (пример измерения в режиме нормирования см. в схеме подключения рис.7) и визуализации измеренных значений осуществляется посредством компьютерного программного обеспечения с использованием интерфейса связи с компьютером USB 2.0.

 

 

а)

 

АР – (АР62В, АР62В-02, АР63В, АР63В-01)

АQ05 –усилитель заряда дифференциальный

AS05-04- блок питания

Регистрирующая аппаратура – например, анализатор А17-U2 “ ZETlab”

 

б)

 

 

Рис.  9. Пример схемы подключения  а)  и  ее реализация б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с усилителем заряда дифференциальным AQ05.

 

 

В схеме подключения рис.9 усилитель заряда дифференциальный AQ05 преобразует высокоимпедансный сигнал заряда вибропреобразователя в низкоимпедансный сигнал напряжения и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительностью) используемой аппаратуры. AQ05 позволяет использовать длинные линии связи (до 100м) практически не уменьшая чувствительность и не ограничевая область низких частот.

 

а)

 

АР – АР62В, АР62В-02, АР63В, АР63В-01;

АР5001 – усилитель заряда дифференциальный;

AS07 – блок питания;

АS05 –блок питания;

АК- соединительный кабель АК19;

Регистрирующая аппаратура – например,  цифровой осциллограф TDS3034B “Tektronix”.

 

б)

 

Рис. 10. Пример схемы подключения  а) и ее реализация б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с усилителем заряда дифференциальным AР5001.

 

В схеме подключения рис.10  блок питания AS07 реализует те же функции и режимы, что и в схеме подключения рис.5

 

а)

 

 

 

 

АР – АР62В, АР62В-02, АР63В, АР63В-01;

АQ08 – усилитель заряда дифференциальный;

AS05-04 – блок питания;

АG15 –преобразователь интерфейса USB-RS485;

АК1 – АК34-01;

АК2- соединительный кабель интерфейсный USB А-В;

Регистрирующая аппаратура – например, анализатор спектра А17-U2 “ ZETlab” .

б)

 

 

 

Риc. 11. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с усилителем заряда дифференциальным AQ08.

 

В схеме подключения рис.11 промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом усилитель заряда дифференциальный AQ08 позволяет:

  • управлять режимом работы через интерфейс RS485;
  • использовать длинные линии связи (до 100м).

Преобразователь AG15 осуществляет прием и передачу сигналов на расстояние до 1000м при подключении AQ08 к USB порту компьютера. Особенности режима работы преобразователя AG15:

  • реализация интерфейса в соответствии со спецификацией MODBUS EIAITIA-485;
  • гальваническая развязка интерфейса USB;
  • работа в 2-х проводной топологии;
  • USB протокол Rev 2.0 (full speed);
  • питание от порта USB, не требующего внешнего питания;
  • поддержка Windows XP/VISTA/7 32bit;
  • встроенный преобразователь для питания подключаемых устройств (+5В);
  • подключение до 128 устройств, имеющих интерфейс RS485.

 

а)

 

 

АР – АР06, АР47;

AQ05-Д.1 – усилитель заряда дифференциальный;

AS05-04 – блок питания;

АК – антивибрационный соединительный кабель АК20;

Регистрирующая аппаратура – например,  цифровой осциллограф TDS3034B “Tektronix”.

 

б)

 

Риc. 12. Пример схемы подключения а) и  ее реализации б) для высокочувствительного датчика с симметричным зарядовым выходом с усилителем заряда дифференциальным AQ05-Д.1

Измерительным каналом по схеме рис.12 может осуществляться измерение низкочастотных колебаний (от 0,01 Гц).

 

а)

 

 

 

АС – АС20, АС23;

АР5020 – усилитель заряда и напряжения;

AS05 – блок питания;

АК1 – антивибрациооный соединительный кабель АК02, АК04, АК05;

АК2 – соединительный кабель АК19;

АК3 – кабель интерфейсный USB A-B;

АК4 – кабель интерфейсный USB;

Регистрирующая аппаратура – например, анализатор спектра А17-U2 “ZETLab”.

 

б)

 

Риc. 13. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б) для  датчика силы с разъемным соединителем с усилителем заряда и напряжения АР5020.

 

Усилитель заряда и напряжения АР5020 в схеме подключения рис.13 позволяет реализовать режим нормирования (пример измерения в режиме нормирования см. в схеме подключения рис.7), индикацию перегрузки, управление режимом работы через порт USB.

 

а)

 

 

PS –PS01, PS01-03, PS02, PS03;

АQ02 – усилитель заряда;

AS05– блок питания;

АК1 –антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07;

АК2- соединительный кабель АК19;

Регистрирующая аппаратура – например, анализатор спектра А19-U2 “ ZETlab” .

 

б)

 

 

 

 

 

Рис. 14. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б) для датчика динамического давления с зарядовым выходом  и разъемным соединением с усилителем заряда AQ02.

 

Особенностью работы усилителя AQ02 в схеме подключения рис.12 является встроенный в корпус аккумулятор с подзарядкой от внешнего блока питания и индикацией контроля питания. AQ02 позволяет использовать длинные линии связи (до 100м), практически не уменьшая коэффициент преобразования и не ограничивая область низких частот.

 

а)

 

 

 

GT – GT200, GT205, GT200B, GT300, GT301;

GT200A(GT200A-01) – усилитель напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии;

GT500A-01 – усилитель заряда сигналов преобразователей акустической эмиссии

AG09- согласующее устройство;

AS05(AS03, AS04) – блок питания

АК- соединительный радиочастотный кабель АК39;

Регистрирующая аппаратура – например, анализатор спектра высокочастотный А23 “ZetLab”.

 

б)

 

Рис. 15. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б) для преобразователя акустической эмиссии с зарядовым выходом с усилителем напряжения сигналов GT200A(GT200A-01)или усилителем заряда сигналов преобразователей акустической эмиссии GT500A-01.

 

В схеме подключения рис.15 усилитель напряжения сигналов GT200A(GT200A-01) и усилитель заряда сигналов GT500A-01 осуществляют прием и усиление до нормированных значений сигналов преобразователей акустической эмиссии. GT200A(GT200A-01) и GT500A-01  работают на коаксиальную 50Ом линию связи длиной до 100м.

GT500A-01 позволяет использовать длинные линии связи от датчиков GT до усилителя (до 10м).

 

а)

 

 

GT – GT400;

GT400A – усилитель напряжения сигналов;

AG09- согласующее устройство;

AS05(AS03, AS04) – блок питания;

Регистрирующая аппаратура – например, анализатор спектра высокочастотный А23  “ZetLab”

 

б)

 

Рис. 16. Пример схемы подключения а) и  ее реализация б)для  датчика акустического с трансформаторным выходом  GT400 с усилителем напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии GT400A.

 

Усилитель напряжения сигналов GT400A в схеме подключения рис.16 осуществляет прием и усиление до нормированных значений сигналов преобразователя акустической эмиссии с трансформаторным выходом GT400.  GT400A работает на коаксиальную 50 Ом линию связи длинной до 100м.

 

 

Комментарии запрещены.