Не зарегистрирован


Подписаться
Вход
Забыли пароль?
Регистрация

  СОВРЕМЕННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ



Новости

18.02.17
Вышла статья в журнале АНРИ  №4 2016 год: Исследования нейтронного спектрометра. Первый в России дозиметр, которому не требуется калибровка для неизвестного поля нейтронов и гамма-квантов.
22.12.16
Выпущена новая версия Спектрометра SDMF-1206PRO.DB Спектрометр предназначен для исследований дифференциальных и интегральных энергетических распределений нейтронного в диапазоне (0.24-12) МэВ и гамма (0.05 - 6) МэВ излучения. Спектрометр в...


Новейшие разработки

 

НИР и ОКР    

ОКР №12       АЦП PCIe ( 8 lane )  

  Разработка  модуля  АЦП с максимальным  большим динамическим диапазоном и   широкой    мгновенной  полосой анализа.  Верхняя  граничная частота в спектре 2.5 ГГц. АЦП 14 бит, частота дискретизации 3 ГГц.

 

Подписка

Введите код:  

Индикаторы

  

  

Rambler's Top100 

Главная  /  Статьи

Усилитель заряда: как заставить работать пьезодатчик вибрации?

 

Всякий, кто работал с датчиками вибрации (акселерометрами), знает, что их сигналы нужно преобразовывать в напряжение с помощью усилителя заряда. В последнее время появились вибропреобразователи со встроенной электроникой (Integrated Circuit Piezoelectric, ICP), то есть датчики со встроенным усилителем. Подключать такие датчики к устройствам сбора и анализа гораздо проще. Однако оборотной стороной удобства и дешевизны стало снижение точности обработки. Погрешность установки коэффициента преобразования во встроенных предусилителях составляет от 1–2 до 10%. Поэтому с ICP датчиками сложнее работать на больших расстояниях от регистрирующей аппаратуры, эксплуатировать их в условиях больших градиентов температур и т.п.

 

В таких ситуациях, как изучение процессов вибрации, испытания на вибропрочность, поиск собственных резонансов конструкции, не обойтись без внешнего усилителя заряда. Он необходим в научных установках и на испытательных стендах: когда требования к точности преобразования высоки и нужны большой динамический диапазон и широкая полоса частот.

 

Именно для этих целей в ООО "Центр АЦП" создан усилитель заряда СА-2614 (рис.1) [1] . Его уровень шума, порядка 10-2 пКл, значительно ниже, чем собственный шум большинства датчиков. Благодаря возможности установки коэффициента преобразования заряда от 0,1 до 250 мВ/пКл и большому динамическому диапазону (80–120 дБ) усилитель совместим с любыми пьезопреобразователями – от кварцевых (высокостабильных, но обладающих небольшой чувствительностью) до высокочувствительных пьезокерамических.

 

Рис.1. Состав типичной системы для измерения вибраций и ударов: усилитель заряда, датчики и цифровой регистратор

 

Рис.1. Состав типичной системы для измерения вибраций и ударов:

усилитель заряда, датчики и цифровой регистратор

 

Рассмотрим структурную схему усилителя (рис.2). Входной сигнал с одного из разъемов прибора <IN1…IN4> поступает на преобразователь "заряд-напряжение" (интегратор). Его коэффициент преобразования может принимать значения 10; 1и 0,1 мВ/пКл. Далее выходной сигнал интегратора проходит через фильтр высоких частот (ФВЧ) первого порядка, с настраиваемым значением частоты среза: 0,1; 1 и 10 Гц. С выхода ФВЧ сигнал поступает на усилитель с переключаемым коэффициентом усиления 1; 2,5; 5 и 10. Далее сигнал проходит через активный фильтр второго порядка с переключаемой частотой среза 100; 30; 10; 3; 1; 0,3; 0,1 кГц и поступает на выходной усилитель с плавной регулировкой коэффициента преобразования. Таким образом достигается максимальное соответствие динамических диапазонов датчика и регистрирующего устройства. Благодаря большой мощности сигнала на выходе усилителя регистрирующие устройства можно удалять на расстояние до 120 м.

 

Рис.2. Структурная схема усилителя заряда CA-2614

 

Рис.2. Структурная схема усилителя заряда CA-2614

 

Коэффициенты преобразования и усиления, а также частоты срезов ФВЧ и ФНЧ устанавливаются микроконтроллером. Усилитель заряда поставляется откалиброванным и полностью готовым к работе. Производитель гарантирует точность установки коэффициента преобразования не хуже 0,8% (типовое значение – 0,3%). Однако пользователь сам может управлять прибором и настраивать его при помощи персонального компьютера (ПК) и штатной программы конфигурации через интерфейс RS232 или USB. Настройки сохраняются в памяти усилителя, поэтому при последующем его включении можно обойтись без ПК. При необходимости число каналов усиления можно увеличивать до 256, наращивая количество усилителей заряда, подключенных к одному ПК. Для этого в конструкции усилителя предусмотрен разъем транзитного подключения, а программа конфигурации позволяет распределить номера каналов между усилителями, работающими в одной связке. Информация о нумерации каналов сохраняется в памяти прибора.

 

Максимальное напряжение на выходе прибора при условии сохранения линейности передаточной характеристики ±10 В. Однако, выбирая коэффициент преобразования, можно привести динамический диапазон выходного сигнала к любой шкале в диапазоне от ±0,5 до ±10 В. Соответственно, можно согласовать диапазон выходного сигнала усилителя как с входным диапазоном регистрирующей аппаратуры, так и с диапазоном выходных сигналов датчика. Программное обеспечение поддерживает автоматическую установку параметров усилителя по заданным значениям чувствительности датчика, максимально возможному воздействию измеряемой величины на датчики и необходимому значению амплитуды выходного сигнала.

 

Для большинства усилителей заряда нормы шума задаются при суммарной емкости кабеля и датчика 1 нФ в полосе частот от 2 Гц до 22 кГц. При выполнении точных измерений следует учитывать, что собственный шум усилителя заряда прямо пропорционален емкости источника сигнала:

 

 

где Qшума – фактическое значение эквивалентного шумового заряда; Qn0 – так называемый начальный шум (его типовое значение для СА-2614 – не более 0,4 и 2 фКл в диапазоне коэффициентов преобразования 1–200 и 0,1–1 мВ/пКл соответственно); Q1nF – эквивалентный шумовой заряд, измеренный при емкости источника сигнала 1 нФ (типовое значение для СА-2614 – 3–4 фКл, для расчетов используют 3,5 фКл); CS + CC – суммарная емкость кабеля и датчика (в нФ). Емкость одного метра кабеля обычно не превышает 100 пФ.

 

Если суммарная емкость кабеля и датчика выше расчетной, это может привести не только к увеличению шума, но и ухудшить частотные характеристики в области высоких частот. Так, при коэффициентах преобразования 10–250 мВ/пКл, чтобы избежать спада АЧХ на частоте 100 кГц более чем на 3 дБ, суммарная емкость не должна превышать 4 нФ. Соответственно, рекомендуется использовать кабель от датчика до усилителя не длиннее 50 м, а для измерений с высокой чувствительностью и коэффициентом преобразования 10 мВ/пКл и выше – не более 20 м.

 

Еще больше снизить погрешность измерений можно с помощью калибровки линий связи "датчик%усилитель". Для этого нужно измерить погрешность в линии связи, отсоединив датчик от кабеля и надев экранирующий колпачок (не замыкая центральный провод). В дальнейшем значение полученного сигнала вычитается из измерений. Для автоматизации этой процедуры можно использовать программно-аппаратный комплекс МИЦ-100-16 [2], позволяющий одновременно выполнять сквозную калибровку по 16 каналам.

 

К усилителю с недифференциальным входом можно подключить датчик с дифференциальным выходом (рис.3). При этом один из проводов дифференциальной пары соединяется с экранирующим покрытием в месте подключения кабеля к входу усилителя.

 

Рис.3. Схема подключения датчика с дифференциальным выходом к усилителю с недифференциальным входом

 

Рис.3. Схема подключения датчика с дифференциальным выходом к усилителю с недифференциальным входом

 

В заключение отметим, что, несмотря на появление "интеллектуальных" датчиков вибрации со встроенной электроникой, усилители заряда с большими функциональными возможностями еще долго останутся востребованными в высокоточных областях применения. Датчики со встроенным усилителем, скорее всего, займут нишу узкоспециализированных усилителей с малым диапазоном регулировки. Так, они эффективны в технологическом оборудовании с высокими собственными шумами и узкой полосой частот полезных сигналов, которое не требует высокоточных измерений.

 

 

Усилитель заряда СА-2614

 


16.01.13
Автор: П.И. Руднев, П.Г. Дорофеев  Источник: Электроинка НТБ №8 2006 




Разделы / Публикации в журналах
Обратная связьПодпискаОпросыСправочник специалиста в АЦП
© Все права защищены. 2004-2017 ООО "Центр АЦП"
Служба поддержки:
Работает на: Amiro CMS