СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H04R3/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам, использующим пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) электрических колебаний в механические. Может быть использовано преимущественно в ультразвуковых датчиках для получения максимального сигнала на собственной частоте пьезоэлектрического преобразователя.

Известно устройство для питания датчика ультразвуковых сигналов, где используется способ подстройки частоты возбуждающего сигнала, при котором перед каждым включением устройства в работу к катушке возбуждения используемого магнитострикционного преобразователя подводятся возбуждающие импульсы с различными частотами следования, производится измерение тока, протекающего через катушку возбуждения, и определяется частота импульсов возбуждения, при котором магнитострикционный преобразователь оказывается в резонансе. После этого при работе устройства используется возбуждающий сигнал определенной таким способом частоты. Способ регулирования частоты возбуждающего электрического сигнала обладает невысоким быстродействием, так как предполагает наличие переходного процесса настройки длительностью не менее нескольких периодов возбуждающего сигнала, в течение которого датчик отключен и не может использоваться в измерительном процессе.

Наиболее близким техническим решением является способ формирования возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя, основанный на подаче напряжения на пьезоэлектрический преобразователь, измерении выходного напряжения, включающего вынужденную составляющую напряжения, вычитании из нормированного выходного напряжения нормированного возбуждающего напряжения и формировании возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя путем усиления полученной разности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее усилитель, конденсатор и четыре резистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены между собой и с инвертирующим входом усилителя, первые выводы третьего и четвертого резисторов соединены между собой и с неинвертирующим входом усилителя, первый вывод конденсатора соединен с первым выводом пьезоэлектрического преобразователя, второй вывод которого соединен с нулевой шиной, а вторые выводы первого и третьего резисторов соединены между собой.

Недостатком устройства является величина цикла настройки частоты генератора, которая превышает период возбуждающего напряжения, что не позволяет использовать устройство в непрерывном режиме излучения на резонансной частоте.

Целью изобретения является повышение КПД.

Цель достигается тем, что подстройку частоты производят непрерывно на каждом периоде возбуждающего напряжения, при этом измеряют напряжение на ПЭП, вычитают из него возбуждающее напряжение, получают напряжение пьезоэффекта, усиливая которое, формируют возбуждающее напряжение.

Для достижения цели в устройство введен пятый резистор, причем третий и четвертый резисторы соединены одними выводами между собой и с неинвертирующим входом усилителя, второй выход третьего резистора соединен с нулевой шиной, второй вывод третьего резистора соединен с нулевой шиной, второй вывод четвертого резистора соединен с первыми выводами конденсатора и ПЭП, второй вывод которого соединен с нулевой шиной, выход усилителя через пятый резистор соединен с вторыми выводами конденсатора и второго резистора.

На фиг. 1 приведена эквивалентная схема ПЭП; на фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика ПЭП; на фиг. 3 - принципиальная схема предлагаемого устройства.

На фиг. 1 показана эквивалентная схема ПЭП, на которой обозначено: С_о - собственная емкость заторможенного ПЭП; R_а - активные механические потери (характеризуют потери акустической энергии ПЭП на излучение в среду); L_k - эквивалентная индуктивность, пропорциональная массе ПЭП; С_k - эквивалентная емкость, пропорциональная упругой податливости ПЭП.

На фиг. 2 представлена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ПЭП, позволяющая пояснить резонансные явления и принципы построения схемы включения ПЭП, реализующей предлагаемый способ. В большей части спектра реактивная проводимость ПЭП носит емкостный характер, и только в узком диапазоне частот f_p-f_s - индуктивный.

Для уменьшения энергопотребления и увеличения добротности ПЭП целесообразно запитывать его от генератора тока с высоким внутренним сопротивлением. Чтобы обеспечить одинаковый знак проводимостей генератора и ПЭП, генератор может быть построен с использованием конденсатора, емкость которого С_д >> С_о, а значит Х_сд >> Х_со (см. фиг. 2).

При подаче возбуждающего напряжения на последовательно соединенные конденсатор и ПЭП напряжение на ПЭП является суммой свободной и вынужденной составляющих. Частота вынужденной составляющей совпадает с частотой возбуждающего напряжения, а частота свободной составляющей определяется частотой механического резонанса ПЭП. Амплитуда свободной составляющей определяется коэффициентом электромеханической трансформации, который зависит от конструкции ПЭП, типа колебаний и определяется упругими, пьезоэлектрическими и диэлектрическими свойствами материала ПЭП.

Если обеспечить совпадение возбуждающего напряжения по частоте и фазе с напряжением собственных колебаний ПЭП, то при отсутствии потерь амплитуда напряжения на ПЭП превышает амплитуду возбуждающего напряжения. Для достижения этого эффекта можно формировать возбуждающее напряжение, выделяя напряжение пьезоэффекта и усилия его по мощности до необходимой величины.

Реализовать такой способ формирования возбуждающего напряжения позволяет схема (фиг. 3). В этой схеме напряжение U_ПЭП, снимаемое с ПЭП, делится делителем, выполненным на резисторах R₃ и R₄, до величины, не превышающей половину допустимого входного напряжения усилителя, и подается на его неинвертирующий вход. Возбуждающее напряжение U_В подается на инвертирующий вход усилителя с коэффициентом К₂ = R₁/(R₂ + R₁). Вынужденная составляющая напряжения на ПЭП определяется соотношением
U_{ПЭП.вын} = С_о/(С_д + С_о). Поэтому, если выбрать коэффициент К₂ из условия
К₂ = [C_o/(C_д + С_о)]˙[R₃/(R₃ + R₄)], амплитуда возбуждающего напряжения, приведенного к инвертирующему входу усилителя, будет равна амплитуде вынужденной составляющей напряжения на ПЭП, приведенной к неинвертирующему входу усилителя.

В результате на усилителе производится вычитание из полного напряжения на ПЭП его вынуждающей составляющей и усиление получаемой разности, пропорциональной напряжению пьезоэффекта. Таким образом формируют возбуждающее напряжение, обладающее требуемыми параметрами.

Для обеспечения устойчивой работы усилителя на емкостную нагрузку на его выходе дополнительно подключен резистор R₅, не влияющий на коэффициент передачи усилителя. В качестве усилителя в данной схеме может быть использован операционный усилитель 574УД1, обладающий высоким входным сопротивлением.

Данное техническое решение позволяет осуществлять формирование возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя за счет непрерывной подстройки частоты возбуждающего напряжения до значения частоты собственных колебаний ПЭП. При этом повышается быстродействие подстройки частоты и практически отсутствует переходный процесс, в течение которого ПЭП излучает не на резонансной частоте, что позволяет повысить КПД.

Способ позволяет реализовать как импульсный, так и непрерывный режим излучения, что дает возможность использовать его в акустических измерительных системах, реализующих как эхо-импульсные, так и фазовые методы локации.

Простота схемы включения ПЭП, реализующей способ формирования возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя, очевидна, так как в ней не используются сложные устройства измерения частоты и управляемые по частоте генераторы. Кроме того, данная схема позволяет использовать серийные датчики, конструктивное исполнение которых предусматривает соединение одного вывода ПЭП с корпусом датчика (например, ДХС517, ВТ2.832.517ТУ).

Использование: измерительная техника, приборы, ультразвуковые датчики. Сущность изобретения: формируют возбуждающее напряжение пьезоэлектрического преобразователя, выделяя напряжение пьезоэффекта и усиливая его по мощности до необходимой величины. Устройство содержит усилитель, конденсатор и пять резисторов. Приведено соотношение параметров элементов устройства. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя, основанный на подаче напряжения на пьезоэлектрический преобразователь, измерении выходного напряжения, включающего вынужденную составляющую напряжения, вычитании из нормированного выходного напряжения нормированного возбуждающего напряжения и формировании возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя путем усиления полученной разности, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, подачу напряжения на пьезоэлектрический преобразователь осуществляют при условии обеспечения прямой пропорциональности вынужденной составляющей выходного напряжения возбуждающему напряжению, а нормирование возбуждающего и выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя выполняют при условии равенства коэффициента возбуждающего напряжения и произведения коэффициента выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя и коэффициента пропорциональности вынужденной составляющей выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя возбуждающему напряжению. 2. Устройство формирования возбуждающего напряжения пьезоэлектрического преобразователя, содержащее усилитель, конденсатор и четыре резистора, причем первые выводы первого и второго резисторов соединены между собой и с инвертирующим входом усилителя, первые выводы третьего и четвертого резисторов соединены между собой с неинвертирующим входом усилителя, первый вывод конденсатора соединен с первым выводом пьезоэлектрического преобразователя, второй вывод которого соединен с нулевой шиной, а вторые выводы первого и третьего резисторов соединены между собой, отличающееся тем, что в него введен пятый резистор, первый вывод которого соединен с выходом усилителя, а второй - с вторыми выводами второго резистора и конденсатора, причем второй вывод четвертого резистора соединен с первыми выводами конденсатора и пьезоэлектрического преобразователя, а вторые выводы первого и третьего резисторов соединены с нулевой шиной и параметры элементов устройства удовлетворяют следующему соотношению:
R1 / (R1 + R2) = C_д = /(C_о + C_д) · R3 / (R3 + R4),
где R1, R2, R3, R4 - соответственно сопротивления первого, второго, третьего и четвертого резисторов;
C_д - емкость конденсатора;
C_о - собственная емкость заторможенного пьезоэлектрического преобразователя.