Усилитель заряда для пьезодатчиков

Усилитель заряда для пьезодатчиков

Цена и сроки поставки
по запросу − + В корзину

Усилитель заряда для пьезодатчиков ZET 440 предназначен:
для усиления и преобразования выходных сигналов пьезоэлектрических первичных преобразователей с зарядовым выходом;
для усиления и преобразования выходных сигналов первичных преобразователей со встроенной электроникой типа ICP в напряжение;
коэффициенты усиления 1, 10, 100;
фильтр ФВЧ 0.1, 1, 10 Гц.

Предварительный усилитель ZET 440 применяется в системе поверки вибродатчиков для подключения образцового акселерометра АР10 к анализатору спектра ZET 017. В комплекте с виброизмерительными преобразователями усилители могут применяться в системах технической диагностики и мониторинга в различных отраслях промышленности для измерений вибрационных и ударных ускорений, а также в лабораторных и научных исследованиях.

Усилитель ZET 440 позволяет подключать акселерометры с зарядовым выходом или стандарта ICP к анализаторам спектра и модулям АЦП/ЦАП. Позволяет подключать гидрофоны ВС 311 к анализатору спектра ZET 017.

Принцип работы усилителей заряда ZET 440
Принцип действия усилителя основан на преобразовании сигналов, поступающих от первичных преобразователей в низкоимпедансный сигнал напряжения. Усилитель может работать в режиме усилителя заряда или усилителя напряжения при работе с датчиками со встроенным усилителем типа ICP.

Для работы с датчиками с разными коэффициентами преобразования в усилителе предусмотрена возможность изменения (нормирования) коэффициента усиления для получения адаптированного значения выходного напряжения. Наличие встроенных фильтров верхних (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ) позволяет выбрать оптимальную полосу пропускания. Усилитель позволяет обеспечить индикацию включенного входного канал, установленного коэффициента усиления и выбранного для измерений фильтра верхних частот.

Конструктивно усилитель выполнен в виде переносного моноблока и включает в себя следующие функциональные узлы: усилитель заряда, усилитель напряжения, фильтры нижних частот, фильтры верхних частот, микроконтроллер. Питание усилителя осуществляется от внешнего блока питания постоянного тока с выходным напряжением 12 В.

Комплектация:
Паспорт. Руководство по эксплуатации. Кабель HighSpeed USB 2.0 Кабель BNC-BNC 60 см

Усилитель заряда – не самый распространенный тип усилителей, однако в некоторых случаях он может быть очень полезен. По сути, это интегратор тока, напряжение на выходе которого пропорционально интегрированному значению входного тока. Усилитель заряда может быть полезен, когда источник сигнала поступает от датчика, имеющего емкостной характер, например, если это пьезоэлектрический микрофон или гидрофон, или если датчиком служит фотодетектор. Схема усилителя заряда на основе ОУ приведена на Рисунке 1.

Рисунок 1.

Резистор R1 устанавливает режим работы ОУ по постоянному току; без резистора напряжение на выходе ОУ дрейфовало бы вверх или вниз до уровня напряжения одной из шин питания, в зависимости от полярности тока смещения ОУ. Сопротивление резистора должно быть достаточно низким, чтобы обеспечить подходящую рабочую точку ОУ без существенного снижения требуемых характеристик. В то же время, сопротивление должно быть больше, чем импеданс конденсатора C1 на минимальной используемой частоте. Для ОУ с малым током смещения, таких, как КМОП усилители или усилители с полевыми транзисторами на входах, сопротивление резистора, как видно из Рисунка 1, может быть очень большим.

Понятие «усиления» усилителя заряда не вполне очевидно, так как зависит от емкости источника сигнала. Например, емкость гидрофона Brüel & Kjær 8103 составляет 3850 пФ, определяя усиление, равное в данном случае 20•log(3850 пФ/100 пФ), или 31.7 дБ. «Усиление» – не совсем подходящий термин для описания передаточной функции, поскольку выходное напряжение пропорционально заряду датчика. Тем не менее, часто бывает удобнее рассматривать сигнал, как напряжение, которое снимается с определенной емкости, имеющей, соответственно, определенный заряд.

Читайте также:  Посоветуйте смартфон до 20000 рублей

Например, в спецификации гидрофона B&K 8103 заявлена чувствительность 0.12 пКл/Па, а также 30 мкВ/Па. Поскольку емкость составляет 3850 пФ, а чувствительность к заряду должна основываться на соотношении Q = CV, умножим 30 мкВ на 3850 пФ. В результате получим 0.12 пКл – то же значение, которое указывает B&K, то есть, оказывается, что одна и та же величина попросту выражена двумя разными способами.

Динамические характеристики рассматриваемой схемы без учета обратной связи показаны на Рисунке 2.

Рисунок 2.

Усиление, как и ожидалось, составляет 31.7 дБ. Частота среза по уровню 3 дБ определяется ограничениями ширины полосы усиления ОУ. Для моделирования работы усилителя датчик был представлен источником напряжения с последовательно подключенным к нему конденсатором (Рисунок 3).

Рисунок 3.

Моделью датчика так же может служить источник тока с параллельным конденсатором. Такой подход целесообразен в случаях, когда датчиком является обратносмещенный фотодиод.

Частота среза по уровню 3 дБ, определяемая величинами R1 и C1, при использованных нами значениях 50 МОм и 100 пФ, соответственно, равна 31.8 Гц. Если расширить область моделирования до этой частоты, можно увидеть, что частота среза действительно будет такой.

В случае, когда источником сигнала служит фотодиод, мы имеем входной ток только одного направления, поэтому напряжение на выходе усилителя заряда скачком изменится до нового значения, а затем будет медленно возвращаться обратно со скоростью, зависящей от постоянной времени RС-цепи обратной связи. В итоге будет получен импульс, подобный изображенному на Рисунке 4.

Рисунок 4.

Внесенный заряд определяет высоту импульса. В данном случае это отрицательный импульс, поскольку ток инжектируется в инвертирующий вход ОУ. Спад импульса определяется величинами сопротивления резистора и емкости конденсатора в цепи обратной связи. Поэтому при необходимости уменьшить время спада вам следует выбрать резистор с меньшим сопротивлением. Подобная схема и форма выходного импульса полезны в таких устройствах, как дозиметры, где важны как высота импульсов, так и их количество. Нередко между входным каскадом усилителя заряда и измерителем пиковой амплитуды включают дополнительный формирователь импульсов.

Перевод: Дмитрий Скорынин по заказу РадиоЛоцман

с гальванической развязкой

* При получении оплаты до 12:00 (только для складских позиций).

39 480 руб. — 57 840 руб.

Предварительный усилитель ZET 440 применяется в системе поверки вибродатчиков для подключения образцового акселерометра АР10 к анализатору спектра ZET 017. В комплекте с виброизмерительными преобразователями усилители могут применяться в системах технической диагностики и мониторинга в различных отраслях промышленности для измерений вибрационных и ударных ускорений, а также в лабораторных и научных исследованиях.

Усилитель ZET 440 позволяет подключать акселерометры с зарядовым выходом или стандарта ICP к анализаторам спектра и модулям АЦП/ЦАП. Позволяет подключать гидрофоны ВС 311 к анализатору спектра ZET 017.

Тип усилителей предварительных ZET 440 зарегистрирован в государственном реестре средств измерений под №58918-14

Характеристики

усилителей заряда ZET 440

Технические характеристики
Количество каналов 1
Вход «Charge»
Тип разъема BNC
Коэффициент усиления по заряду 1 мВ/пКл 10 мВ/пКл 100 мВ/пКл
Максимальный входной заряд (пик) при КУ=1, не менее 10 4 пКл
Рабочий диапазон частот с затуханием на границах минус 3 дБ, при коэффициенте нелинейных искажений менее 10%:
в диапазоне выходных напряжений не более 2,5 В (пик) 0,1…100 000 Гц
в диапазоне выходных напряжений не более 5 В (пик) 0,1…50 000 Гц
в диапазоне выходных напряжений не более 10 В 0,2…30 000 Гц
СКЗ шума, приведенного ко входу, в режиме «Charge» для емкости датчика 1 нФ в диапазоне частот 0,1 Гц…20 кГц (при коэффициенте усиления 1 мВ/пКл), не более 0,04 пКл
Вход «ICP»
Тип разъема BNC
Коэффициент усиления по напряжению 1 10 100
Максимальное входное напряжение (пик) при КУ=1, не менее 10 В
Рабочий диапазон частот с затуханием на границах минус 3 дБ, при коэффициенте нелинейных искажений менее 10%
в диапазоне выходных напряжений не более 2,5 В (пик) 0,1…100 000 Гц
в диапазоне выходных напряжений не более 5 В (пик) 0,1…50 000 Гц
в диапазоне выходных напряжений не более 10 В (пик) 0,2…30 000 Гц
СКЗ шума, приведенного ко входу, в режиме «ICP» в диапазоне частот 0,1 Гц…30 кГц, не более 20 мкВ
Общие характеристики
Пределы допускаемой основной относительной погрешности установки коэффициента усиления на частоте 1 кГц при нормальных условиях ±0,6 %
(для КУ = 1)
±0,6 %
(для КУ = 10)
±1,2 %
(для КУ = 100)
Пределы допускаемой дополнительной погрешности установки коэффициента усиления в температурном диапазоне от 0 до плюс 40 °С 0,5 %
Неравномерность АЧХ в диапазоне частот от 3 до 20000 Гц ±0,5 %
Частоты среза встроенных ФВЧ со спадом АЧХ не менее 40 дБ/декаду и затуханием минус 3 дБ 0,1 Гц 1 Гц 10 Гц
Тип разъема выхода BNC
Максимальное выходное напряжение (пик), не менее ±10 В
Выходное сопротивление (при токе нагрузки не более 10 мА, не более 50 Ом
Режим питания датчиков со встроенным усилителем типа ICP:
напряжение
ток
27 ± 3 В
3 ± 1 мА
Гальваническая развязка
сопротивление, не менее 0,3 МОм
допустимое синфазное напряжение, не более 260 В
Время установления рабочего режима, не более 20 с
Время непрерывной работы, не менее 8 ч
Напряжение питания от внешнего источника напряжения постоянного тока 12±1 В
Ток потребления, не более 230 мА
Читайте также:  Мтс ютуб бесплатно как подключить

Структурная схема

усилителей заряда ZET 440

Вибродатчики с зарядовым выходом подключаются ко входу «Charge», акселерометры стандарта ICP подключаются ко входу ICP. Сигнал с датчика проходит фильтр верхних частот с частотой среза 0,1 или 1,0 или 10,0 Гц, затем — усилитель с коэффициентом усиления 1 или 10 или 100, далее через псевдогальваническую развязку сигнал поступает на выход ZET 440. Определение к какому входу усилителя («Charge» или «ICP») подключен вибродатчик осуществляется автоматически. Коэффициент усиления (чувствительность, коэффициент преобразования усилителя) и частоты среза фильтра верхних частота задаются программно в диспетчере устройств ZETLAB.

Для программирования усилителей заряда ZET 440 по шине Modbus ниже приведена таблица адресов регистров.

Название параметра Адрес hex
(dec)
Тип данных Размер, байт Принимаемые значения
Усиление 0x54 (84) long 4 0 — “x1”
1 — “x10”
2 — “x100”
Фильтр 0x58 (88) long 4 0 — “0,1 Гц”
1 — “1 Гц”
2 — “10 Гц”
Тип устройства 0x64 (100) long 4 38 (только чтение)
Серийный номер 0x68 (104) unsigned
long long
8 Произвольное значение (только чтение)
Дата и время выпуска программного обеспечения 0x70 (112) long 4 Произвольное значение (только чтение)
Дата и время последнего изменения структуры 0x74 (116) long 4 Произвольное значение (только чтение)
Адрес устройства 0x78 (120) unsigned
long
4 2…63

Настройка и принцип работы

усилителей заряда ZET 440

Принцип действия усилителя основан на преобразовании сигналов, поступающих от первичных преобразователей в низкоимпедансный сигнал напряжения. Усилитель может работать в режиме усилителя заряда или усилителя напряжения при работе с датчиками со встроенным усилителем типа ICP.

Для работы с датчиками с разными коэффициентами преобразования в усилителе предусмотрена возможность изменения (нормирования) коэффициента усиления для получения адаптированного значения выходного напряжения. Наличие встроенных фильтров верхних (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ) позволяет выбрать оптимальную полосу пропускания. Усилитель позволяет обеспечить индикацию включенного входного канал, установленного коэффициента усиления и выбранного для измерений фильтра верхних частот.

Читайте также:  Как восстановить файлы после обновления windows

При подключении датчиков с зарядовым выходом к анализатору спектра при помощи усилителей заряда ZET 440 следует выполнить настройки измерительно канала. Во вкладке «Настройки» усилителя заряда ZET 440 установить коэффициент усиления ×10.

Далее необходимо перейти в настройки канала анализатора, к которому подключен усилитель заряда ZET 440 и в свойствах канала анализатора, во вкладке «Измерительный канал» задать чувствительность подключенного датчика согласно паспорту на устройство.

Усилитель ZET 440 имеет коэффициент усиления по заряду равный 1мВ/пКл. Поэтому значение чувствительности в пКл/Па равно значению чувствительности в мВ/Па при условии подключения через усилитель ZET 440. Соответственно, при подключении гидрофона к анализатору спектра через усилитель ZET 440, если чувствительность гидрофона по паспорту составляет 0,44 пКл/Па, то в поле «Чувствительность, В/ед.изм.» вводим значение 0,00044 В/Па

Конструктивно усилитель выполнен в виде переносного моноблока и включает в себя следующие функциональные узлы: усилитель заряда, усилитель напряжения, фильтры нижних частот, фильтры верхних частот, микроконтроллер. Питание усилителя осуществляется от внешнего блока питания постоянного тока с выходным напряжением 12 В.

Особенности

усилителей заряда ZET 440

Для пьезокерамических датчиков в качестве усилителей могут использоваться усилители заряда или усилители напряжения.

Усилители напряжения имеют входное сопротивление в пределах от 10 кОм до 1 МОм.
Устройства ZETLAB, поддерживающие подключение данных усилителей:

  • анализаторы спектра ZET 017 — входное сопротивление 10 кОм;
  • усилители сигналов ZET 410 и ZET 412 — входное сопротивление 100 кОм;
  • осциллограф ZET 302 — входное сопротивление 1 МОм.

Существенным недостатком данных усилителей является необходимость заново заводить чувствительность подключенного датчика при замене соединительного кабеля, учитывая его ёмкость:

Для зарядового усилителя ZET 440 ёмкость кабеля и ёмкость датчика не важны, поскольку он имеет в схеме эталонный конденсатор Cо:

что значительно упрощает работу.

Собственные шумы при измерении виброускорения, виброскорости и виброперемещения

На рисунках ниже приведены графики собственных шумов усилителей ZET 440 с акселерометром 4371 для сравнения подключения напрямую ко входу «Заряд» и через усилитель напряжения АС 100 ко входу ICP.

ZET 440 + 4371

ZET 440 + AC 100 + 4371

Базовая комплектация

усилителей заряда ZET 440

В базовый комплект поставки усилителей заряда ZET 440 входит:

  • усилитель предварительный ZET 440;
  • кабель Defender USB 2.0 A→B (длина: 1,8 метра);
    2 фильтра (USB04-06 PRO);
  • блок питания 220В →12В;
  • кабель BNC-BNC (длина: 0,6 метров);
  • эквивалент пьезокерамического датчика АС 200;
  • заглушка 50 Ом.

«>

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector