eng
Выпуск #8/2006
П.Руднев, П.Дорофеев.
Усилитель заряда: как заставить работать пьезодатчик вибрации?
Усилитель заряда: как заставить работать пьезодатчик вибрации?
Просмотры: 5558
Отрасли машиностроения, строительства и транспорта активно развиваются. Соответственно, методы регистрации скоростей и амплитуд механических воздействий – вибраций и ударов – постоянно совершенствуются. Важными компонентами любой измерительной системы являются датчики, выходные значения которых требуется преобразовывать в пригодный для дальнейшего анализа сигнал. Для этого используются датчики со встроенными усилителями или внешние усилители заряда. Достоинствами последних являются высокая точность установки коэффициента усиления, малые собственные шумы и гибкость к условиям проведения измерений. Пример такого устройства – усилитель СА-2614, разработанный ООО "Центр АЦП".
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.
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; 1 и 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.
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.
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.
Литература
1. Усилитель заряда СА-2614. Руководство по эксплуатации. – www.centeradc.ru/katalog/ca-2614.htm
2. Магнитофон измерительный цифровой МИЦ-100-16. Руководство пользователя. – www.centeradc.ru/pdf/mic-100-16.pdf
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.
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; 1 и 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.
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.
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.
Литература
1. Усилитель заряда СА-2614. Руководство по эксплуатации. – www.centeradc.ru/katalog/ca-2614.htm
2. Магнитофон измерительный цифровой МИЦ-100-16. Руководство пользователя. – www.centeradc.ru/pdf/mic-100-16.pdf
Отзывы читателей
