МЕЖЭЛЕКТРОДНАЯ СХЕМА ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2010 года по МПК H01L41/08 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение главным образом имеет отношение к системам, в которых используют пьезоэлектрические измерительные преобразователи.

Предпосылки к созданию изобретения

Системы пьезоэлектрических датчиков находят самое широкое применение. В качестве не ограничительного примера можно привести некоторые системы безопасности, которые обнаруживают перемещение в контролируемом пространстве с использованием пассивных инфракрасных (PIR) датчиков перемещения (движения), обнаруживающих изменения в коротковолновом инфракрасном (ИК) излучении (на длинах волн 8-14 мкм), возникающих за счет разностей температуры между объектом (например, человеком) и его окружением. После обнаружения датчик перемещения обычно передает сигнал в центральную систему, которая, в свою очередь, может в случае несанкционированного проникновения "объявлять тревогу", включать комнатное освещение, открывать дверь или выполнять некоторые другие функции. Такие датчики преимущественно являются простыми и относительно дешевыми.

В пассивных ИК (PIR) датчиках могут быть использованы пироэлектрические измерительные преобразователи, которые измеряют изменения коротковолнового ИК излучения. Такие преобразователи работают за счет "пьезоэлектрического эффекта", который вызывает миграцию электрического заряда в присутствии механического напряжения (деформации). Пироэлектрические преобразователи могут быть выполнены в виде конденсатора с двумя электропроводящими пластинами (обкладками), разделенными диэлектриком. Диэлектриком может быть пьезоэлектрическая керамика. Когда коротковолновое ИК излучение вызывает изменение температуры (и, следовательно, создает некоторое механическое напряжение) в керамике, электрический заряд мигрирует от одной пластины к другой. Если к преобразователю не подключена внешняя схема (или подключена схема, имеющая очень высокий импеданс) ("режим выходного напряжения"), то тогда напряжение, которое может быть измерено, представляет собой напряжение заряда "конденсатора". Если внешняя схема, которая имеет относительно низкий импеданс, подключена между пластинами ("режим выходного тока"), то тогда протекает ток.

Пьезоэлектрический преобразователь в режиме выходного тока вводят в схему усилителя тока, управляемого напряжением, в которой вместо существенного изменения напряжения между пластинами преобразователя заряд пропускают через резистор обратной связи имеющего высокий импеданс операционного усилителя, чтобы создать напряжение, которое образует выходной сигнал схемы. Под "высоким" импедансом понимают импеданс, составляющий по меньшей мере 10⁷ Ом.

Настоящее изобретение направлено на создание дешевых схем, управляемых напряжением (межэлектродных схем). Как можно понять из приведенного выше описания, известные до настоящего времени межэлектродные схемы для пьезоэлектрических преобразователей требуют использования относительно дорогих имеющих высокий импеданс операционных усилителей, чтобы измерять относительно малый заряд, созданный пьезоэлектрическими преобразователями. С использованием предложенной в соответствии с настоящим изобретением концепции можно создать более дешевые схемы.

Краткое изложение изобретения

В изобретении раскрыты различные варианты межэлектродной (определяющей крутизну характеристики; управляемой напряжением) схемы, предназначенной, например, для пьезоэлектрического преобразователя коротковолнового ИК излучения, который может быть использован в инфракрасном датчике (детекторе, обнаружителе) перемещения.

Соответствующий пьезоэлектрический датчик содержит пьезоэлектрический измерительный преобразователь и межэлектродную схему, электрически подключенную к преобразователю. Межэлектродная схема имеет общую землю (общее заземление) и источник опорного напряжения сигнала, который не подключен непосредственно к общей земле.

В некоторых вариантах, межэлектродный (определяющей крутизну характеристики) резистор может быть подключен к затвору полевого транзистора, причем межэлектродная схема не содержит имеющего высокий импеданс операционного усилителя. Выходной резистор может быть подключен к истоку полевого транзистора, например, через биполярный плоскостной транзистор (BJT), база которого может быть подключена к истоку полевого транзистора. По желанию, "закорачивающий" конденсатор, который практически образует контур короткого замыкания на рабочих частотах датчика, может соединять сток полевого транзистора с истоком полевого транзистора. Кроме того, включенный по переменному току делитель напряжения обратной связи по выходу может быть включен между истоком полевого транзистора и межэлектродным резистором, подключенным к затвору полевого транзистора.

В специфических не ограничительных вариантах, межэлектродный резистор подключен к затвору полевого транзистора через операционный усилитель со стандартным входным импедансом. Инвертирующий вход операционного усилителя может быть подключен к истоку полевого транзистора, а неинвертирующий вход операционного усилителя может быть подключен к источнику опорного напряжения сигнала. Кроме того, включенный по переменному току делитель напряжения обратной связи по выходу может быть включен между выходом операционного усилителя и межэлектродным резистором, который подключен к затвору полевого транзистора.

В соответствии с другим аспектом, в межэлектродной схеме датчика, который содержит пьезоэлектрический измерительный преобразователь, полевой транзистор подключен к измерительному преобразователю для усиления его выходного сигнала. Схема также имеет общую землю, а узел опорного напряжения сигнала находится под другим потенциалом переменного напряжения, чем земля.

В соответствии с еще одним аспектом, схема содержит пьезоэлектрический измерительный преобразователь и межэлектродный усилитель, который получает по электрическому тракту сигнал с преобразователя, обрабатывает (усиливает) его и выдает выходной сигнал. Межэлектродный усилитель не содержит имеющего высокий импеданс операционного усилителя.

В соответствии с одним из вариантов, пьезоэлектрический датчик содержит пьезоэлектрический измерительный преобразователь и межэлектродную схему, электрически подключенную к преобразователю. Межэлектродная схема содержит, как уже было упомянуто здесь выше, пьезоэлектрический измерительный преобразователь, подключенный к затвору полевого транзистора, причем межэлектродная схема не содержит операционного усилителя. Однако межэлектродная схема содержит межэлектродный резистор, подключенный к затвору полевого транзистора, а также содержит первый и второй транзисторы в дополнение к полевому транзистору. В специфической реализации этой последней схемы участок цепи обратной связи содержит первый транзистор и второй транзистор, причем второй транзистор электрически подключен к межэлектродному резистору и к первому транзистору.

В соответствии с другим аспектом, блок пьезоэлектрического датчика имеет корпус, в котором находятся три компонента, а именно, пьезоэлектрический измерительный преобразователь, полевой транзистор, имеющий затвор, и межэлектродный резистор, подключенный к затвору. Первый - четвертый электрические соединители расположены на корпусе и электрически соединены внутри корпуса соответственно с истоком полевого транзистора, стоком полевого транзистора, с пьезоэлектрическим измерительным преобразователем и с межэлектродным резистором. Соединители механически связаны с элементами схемы, находящимися снаружи от корпуса.

В специфических вариантах, участок цепи обратной связи выполнен с возможностью соединения с первым соединителем для подключения участка цепи обратной связи к истоку полевого транзистора. Кроме того, цепь питания выполнена с возможностью соединения со вторым соединителем для подачи электропитания на сток полевого транзистора. Кроме того, цепь схемы выполнена с возможностью соединения с третьим соединителем для подключения по меньшей мере части межэлектродной схемы к преобразователю. Более того, цепь обратной связи выполнена с возможностью соединения с четвертым соединителем для подключения по меньшей мере части цепи обратной связи к межэлектродному резистору.

В соответствии с другим аспектом, предложен практический способ подключения пьезоэлектрического измерительного преобразователя, связанного с затвором полевого транзистора, к межэлектродной схеме, который предусматривает установку пьезоэлектрического измерительного преобразователя, полевого транзистора и межэлектродного резистора в одном корпусе. Способ также предусматривает использование четырех соединителей, расположенных на корпусе, и соединение указанных соединителей с (различными) участками межэлектродной схемы.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана блок-схема одной из систем, в которой может быть использовано настоящее изобретение.

На фиг.2 показана принципиальная схема первого варианта межэлектродной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показана принципиальная схема второго варианта межэлектродной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 показана принципиальная схема третьего варианта межэлектродной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 показана принципиальная схема четвертого варианта межэлектродной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.6 показана принципиальная схема модифицированного исполнения первого варианта, показанного на фиг.2, в котором соединения с преобразователем по переменному току (АС) и по постоянному току (DC) разделены друг от друга, чтобы избежать высоких выходных уровней по постоянному току, которые в противном случае могли бы приводить к насыщению схемы.

На фиг.7 показана принципиальная схема модифицированного исполнения второго варианта, показанного на фиг.3, в котором АС и DC соединения с преобразователем разделены друг от друга.

На фиг.8 показана принципиальная схема модифицированного исполнения третьего варианта, показанного на фиг.4, в котором АС и DC соединения с преобразователем разделены друг от друга.

На фиг.9 показана принципиальная схема модифицированного исполнения четвертого варианта, показанного на фиг.5, в котором АС и DC соединения с преобразователем разделены друг от друга.

На фиг.10 показана принципиальная схема еще одного альтернативного варианта межэлектродной схемы в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.11 показан вид в перспективе блока пьезоэлектрического измерительного преобразователя.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Обратимся сначала к рассмотрению фиг.1, на которой показан не ограничительный пример системы, обозначенной в общем виде позицией 10, предназначенной для обнаружения движущегося объекта 12, такого как человек. Система 10 включает в себя оптическую систему 14, которая может содержать соответствующие зеркала, линзы и другие известные компоненты для фокусирования изображений объекта 12 на пассивный инфракрасный (PIR) датчик 16 системы. В ответ на движение движущегося объекта 12 PIR датчик 16 системы вырабатывает сигнал, который может быть отфильтрован, усилен и представлен в цифровой форме при помощи схемы 18 обработки сигналов, с выхода которой сигнал поступает на систему 20 обработки (такую как, например, компьютер или специфическая заказная интегральная схема), которая определяет, следует ли включить звуковой или визуальный сигнал 21 тревоги или другое выходное устройство, такое как система открывания двери, и т.п.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2-5, на которых показаны различные варианты реализации концепции настоящего изобретения. Как это показано на фиг.2, пьезоэлектрический измерительный преобразователь 22 введен (включен) в межэлектродную схему 24, получающую питание от источника 26 постоянного тока (DC). Схему 24 можно рассматривать как схему контроля (управления) для пьезоэлектрического измерительного преобразователя 22. Кроме того, схема 24 является буферной по импедансу (согласовывает импеданс) и усиливает сигнал с преобразователя 22.

В соответствии с принципами настоящего изобретения "межэлектродная схема" представляет собой такую схему, в которой вместо существенного изменения электрического напряжения между пластинами (электродами) преобразователя, такого как преобразователь 22, заряд пропускают через резистор для создания напряжения, которое образует выходной сигнал схемы.

Пьезоэлектрическим измерительным преобразователем 22 может быть любой пьезоэлектрический измерительный преобразователь. В соответствии с одним примерным вариантом, пьезоэлектрический измерительный преобразователь 22 представляет собой пироэлектрический преобразователь, который измеряет изменения в коротковолновой ИК области спектра излучения за счет "пьезоэлектрического эффекта", который вызывает миграцию электрического заряда в присутствии механического напряжения, которое может быть вызвано, например, изменением температуры за счет коротковолнового ИК излучения. Пьезоэлектрический преобразователь 22 может быть выполнен в виде конденсатора, то есть в виде двух электропроводящих пластин (обкладок), разделенных диэлектриком, которым может быть пьезоэлектрическая керамика. Когда механическое напряжение (деформация) приложено к керамике пьезоэлектрического измерительного преобразователя 22, электрический заряд мигрирует от одной пластины к другой.

В схеме 24, показанной на фиг.2, преобразователь 22 включен между истоком и затвором полевого транзистора Q1 с управляющим p-n-переходом, которым может быть, например, полевой транзистор типа 2N4338. Источник питания 26, которым может быть источник питания 5 В, образованный при помощи одной или нескольких батарей сухих гальванических элементов, подключен к стоку полевого транзистора Q1.

Как это показано на фиг.2, ток истока полевого транзистора Q1 образует напряжение за счет протекания через выходной резистор R1. Напряжение, которое образуется также на межэлектродном резисторе R2, вызывает втекание тока назад в затвор полевого транзистора Q1, причем оба резистора R1, R2 подключены к земле, в то время как преобразователь 22 является "плавающим" (то есть не имеет опорного напряжения сигнала, подключенного к земле) между истоком и затвором полевого транзистора Q1.

Специалисты легко поймут, что в описанной схеме полевой транзистор Q1 контролирует ток в цепи обратной связи, протекающий через межэлектродный резистор R2 в затвор полевого транзистора Q1 за счет изменения напряжения через выходной резистор R1, которое через заземленный узел создает такое же изменение напряжения через межэлектродный резистор R2. Компонент переменного тока (АС) выходного сигнала схемы 24, который может быть вычислен математически с достаточной точностью для отражения основной функции схемы путем умножения выходного тока преобразователя 22 на сопротивление межэлектродного резистора R2, измеряют в цепи выходного резистора R1. Компонент постоянного тока (DC) выходного сигнала определен рабочим напряжением затвор-исток полевого транзистора Q1.

Другими словами, узел опорного напряжения сигнала схемы 24 плавает относительно общей земли схемы, в отличие от обычных не межэлектродных схем, в которых узел опорного напряжения сигнала заземлен и полевой транзистор используют в качестве буфера для пьезоэлектрического датчика, работающего в режиме выходного напряжения. Поэтому предложенная структура межэлектродной схемы позволяет создать более высокое напряжение сигнала по сравнению с обычными схемами, работающими в режиме выходного напряжения, что позволяет использовать относительно более дешевый полевой транзистор Q1 такого же типа, который используют в обычных схемах, работающих в режиме выходного напряжения, вместо относительно более дорогого имеющего высокий импеданс операционного усилителя. С другой точки зрения, показанная на фиг.2 схема 24 главным образом содержит три функциональных блока, а именно преобразователь 22, полевой транзистор Q1 и межэлектродный резистор R2, который является элементом обратной связи, в отличие от обычных схем, работающих в режиме выходного напряжения.

На фиг.3-5 показаны различные схемы, которые содержат дополнительные компоненты по сравнению со схемой, показанной на фиг.2, чтобы еще больше увеличить амплитуду вырабатываемого этими схемами сигнала. Как это показано на фиг.3, пьезоэлектрический измерительный преобразователь 28 введен в межэлектродную схему 30, имеющую источник 32 питания постоянного тока. В схеме 30, показанной на фиг.3, преобразователь 28 включен между истоком и затвором полевого транзистора Q1 с управляющим p-n-переходом, в результате чего источник опорного напряжения сигнала схемы 30 плавает относительно общей земли схемы. Источник 32 питания подключен к стоку полевого транзистора Q1 через резистор R9.

В схеме, показанной на фиг.3, предусмотрен не только полевой транзистор Q1, но и биполярный плоскостной транзистор (BJT) Q2 вместе с другими элементами схемы, как это обсуждается далее более подробно. По желанию, дешевый операционный усилитель со стандартным входным импедансом может быть использован вместо транзистора BJT Q2. Под "стандартным входным импедансом" понимают импеданс, не превышающий 10⁷ Ом.

В варианте, показанном на фиг.3, база транзистора BJT Q2 подключена к измерительному преобразователю 28 и к истоку полевого транзистора Q1, причем эмиттер транзистора BJT Q2 подключен к заземленному выходному резистору R1, а коллектор транзистора BJT Q2 подключен к источнику 32 питания и связан со стоком полевого транзистора Q1 при помощи резистора R9. За счет дополнительного усиления транзистора BJT Q2 и по той причине, что его база подключена к истоку полевого транзистора Q1, может быть использован выходной делитель напряжения обратной связи, который образован резисторами R3, R4 и конденсатором С3, для усиления главного межэлектродного напряжения, развиваемого на межэлектродном резисторе R2, например, в 10 раз, причем это напряжение поступает назад в виде тока на затвор полевого транзистора Q1 через межэлектродный резистор R2. Таким образом, АС компонент выходного сигнала схемы 30 (измеренный на выходном резисторе R1) на фиг.3 может быть в 10 раз больше, чем в схеме 24, показанной на фиг.2, при одинаковой энергии возбуждения преобразователей обеих схем.

Дополнительно, в схеме 30, показанной на фиг.3, сток полевого транзистора Q1 главным образом короткозамкнут (по сигналам переменного тока) через закорачивающий конденсатор C_S с истоком полевого транзистора Q1, который, как уже было упомянуто здесь выше, является узлом опорного напряжения сигнала. При стоке полевого транзистора Q1, который главным образом короткозамкнут с узлом опорного напряжения сигнала, внутренняя емкость полевого транзистора Q1 не будет больше являться нежелательным элементом обратной связи, что расширяет вверх частотную характеристику схемы 30.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4, на которой пьезоэлектрический измерительный преобразователь 34 введен в межэлектродную схему 36, имеющую источник питания 38 постоянного тока. В схеме 36, показанной на фиг.4, преобразователь 34 включен между истоком и затвором полевого транзистора Q1 с управляющим p-n-переходом, и, таким образом, опорное напряжение сигнала схемы 36 плавает относительно общей земли схемы. Источник питания 38 подключен к стоку полевого транзистора Q1.

В варианте, показанном на фиг.4, использован дешевый операционный усилитель U1 со стандартным входным импедансом, инвертирующий вход которого подключен к измерительному преобразователю 34 и к истоку полевого транзистора Q1, который косвенно (не непосредственно) подключен к земле (то есть подключен к земле через резистор R4). Выходной сигнал операционного усилителя U1 подается назад на затвор полевого транзистора Q1 через межэлектродный резистор R3. Кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя U1 подключен к делителю напряжения, содержащему резистор R1, который, в свою очередь, подключен к источник питания 38, и резистор R2, который подключен к земле.

Как и в ранее описанных здесь схемах, напряжение на резисторе R2, которое возникает за счет протекания тока истока полевого транзистора, служит источником тока, поступающего назад в затвор полевого транзистора Q1. Цепь обратной связи в схеме 36, показанной на фиг.4, идет через операционный усилитель U1 и через межэлектродный резистор R3. Узлом суммирования межэлектродного тока является затвор полевого транзистора Q1, который служит буфером инвертирующего входа операционного усилителя U1. Неинвертирующий вход операционного усилителя U1 представляет собой "плавающий" узел опорного напряжения для схемы 36. Операционный усилитель U1 изменяет свое выходное напряжение, чтобы управлять током обратной связи через межэлектродный резистор R3, причем выходной сигнал схемы представляет собой АС компонент выходного напряжения операционного усилителя U1, при этом DC компонент определяется рабочим напряжением затвор-исток полевого транзистора Q1.

Схема 36, показанная на фиг.4, обеспечивает главным образом постоянное напряжение (поддерживаемое при помощи операционного усилителя U1 на его инвертирующем входе) для узла опорного напряжения сигнала. Таким образом, напряжение сток-затвор полевого транзистора Q1 является, главным образом, постоянным по сравнению с выходным сигналом усилителя и напряжением обратной связи, которое поступает назад в виде тока через межэлектродный резистор R3 на затвор полевого транзистора Q1. Следовательно, здесь отсутствует ограничение по высокой частоте, вызванное влиянием внутренней емкости сток-затвор полевого транзистора Q1, так что пара резистор-конденсатор R_D-C_S, имеющаяся в содержащей только транзистор схеме, показанной на фиг.3, не требуется в схеме 36, показанной на фиг.4.

На фиг.5 показан пьезоэлектрический измерительный преобразователь 40, введенный в межэлектродную схему 42, имеющую источник 44 напряжения постоянного тока, причем эта схема 42 в основном аналогична схеме 36, показанной на фиг.4, за исключением того, что резистор R5 и конденсатор С3 предусмотрены между неинвертирующим входом операционного усилителя U1 и резистором R3 обратной связи, а межэлектродный резистор R6 предусмотрен между точкой соединения резисторов R3, R5 и затвором полевого транзистора Q1. За счет высокого усиления операционного усилителя U1 выходной делитель напряжения, образованный резисторами R3 и R5 и конденсатором С3, позволяет усиливать главное межэлектродное напряжение, например, в 10 раз.

На фиг.6-9, которые аналогичны соответственно фиг.2-5, приведены схемы, главным образом аналогичные ранее описанным, за исключением того, что в схемах, показанных на фиг.6-9, АС и DC соединения с преобразователем разделены друг от друга, чтобы избежать появления таких высоких уровней выходных сигналов постоянного тока, при которых схемы входят в насыщение, когда выходное напряжение постоянного тока становится (в случае идеального расчета) более положительным, чем положительный зажим источника питания, или более отрицательным, чем отрицательный зажим источника питания. Так как в действительности это невозможно, выходной сигнал постоянного тока схемы может «залипать» на уровне положительного или отрицательного зажима источника питания, при этом невозможно получить сигналы переменного тока, то есть схема становится совершенно не работоспособной. Такие высокие уровни выходных сигналов постоянного тока возникают за счет усиления по постоянному току, вызванного наличием в некоторых преобразователях параллельного сопротивления утечки. В нормальном режиме работы схемы, показанные на фиг.6-9, работают аналогично соответствующим схемам, показанным на фиг.2-5, так как в соответствии с настоящим изобретением используют сигнал переменного тока (АС), а не постоянного тока (DC).

Указанное разделение АС и DC соединений выполнено в схемах, показанных на фиг.6 и 8, за счет пропускания АС компонента выходного сигнала преобразователя через конденсатор Сас, пропускающий АС и блокирующий DC, а затем на схемы обработки сигнала, то есть на полевой транзистор Q1 на фиг.6 и на операционный усилитель U1 на фиг.8, при шунтировании DC компонента выходного сигнала преобразователя на землю через заземляющий резистор R_DC. С другой стороны, в схемах, показанных на фиг.7 и 9, уже существует конденсатор С3, пропускающий АС и блокирующий DC, так что выходы соответствующих преобразователей подключены к линии между конденсатором С3 и резистором (R4 на фиг.7, R5 на фиг.9).

На фиг.10 показана схема, аналогичная схеме, показанной на фиг.9, причем аналогичные детали указанных схем имеют одинаковые позиционные обозначения, однако в схеме фиг.10 операционный усилитель U1 заменен PNP транзистором Q3, соединенным каскадно с NPN транзистором Q4, чтобы получить более дешевую конструкцию. Более конкретно, на фиг.10 межэлектродный резистор R6 подключен к затвору полевого транзистора Q1, сток которого подключен к линии 46 источника, а исток подключен через выходную линию 48 к PNP транзистору Q3 и через него к схеме делителя напряжения, которая содержит резисторы R1 и R2 и создает напряжение смещения для полевого транзистора Q1, которое является его напряжением истока. PNP транзистор Q3 служит буфером для этого напряжения смещения и на его выходе получают напряжение истока полевого транзистора. Кроме того, транзистор Q3 пропускает выходной ток сток-исток полевого транзистора на базу NPN транзистора Q4, который за счет усиления транзистора Q4 позволяет получить усиленный выходной ток (ток коллектор-эмиттер), причем этот ток затем преобразуется в напряжение на резисторе нагрузки, который подключен к напряжению источника питания.

Сигнал обратной связи от истока полевого транзистора Q1 поступает, как и ранее, на межэлектродный резистор R6 через линию 50 обратной связи, которая в специфической схеме, показанной на фиг.10, содержит PNP транзистор Q3, NPN транзистор Q4 и резистор R3 обратной связи. Пьезоэлектрический преобразователь подключен через линию 52 и конденсатор С3 к делителю напряжения схемы, что обеспечивает АС соединение с узлом опорного напряжения сигнала в соответствии с принципами, описанными здесь выше со ссылкой на фиг.5 и 9.

Все описанные здесь выше схемы содержат пьезоэлектрический измерительный преобразователь и межэлектродный резистор, который включен в затвор полевого транзистора, причем сток полевого транзистора подключен к источнику питания, а исток подключен к участку обратной связи схемы. На фиг.11 показано, что для удобства пьезоэлектрический измерительный преобразователь, полевой транзистор и межэлектродный резистор могут быть размещены в едином (одном) блоке с четырьмя соединителями, например, такими как штырьки, которые предусмотрены на блоке для соединения преобразователя, истока полевого транзистора, затвора полевого транзистора и межэлектродного резистора, чтобы образовать описанную выше схему. Могут быть использованы и другие конструкции соединителей, например контактные гнезда, контактные столбики и провода, при условии, что эти соединители доступны снаружи от корпуса.

На фиг.11 показана конструкция блока, обозначенного в общем виде позицией 54, который содержит полый корпус 55 в виде параллелепипеда, имеющий внешние соединители, 56, 58, 60, 62, такие как, например, контактные штырьки. В полом корпусе 55 находятся пьезоэлектрический измерительный преобразователь, полевой транзистор и межэлектродный резистор любой из схем, описанных здесь ранее. Таким образом, первый и второй соединители 56 и 58 могут быть электрически подключены к полевому транзистору внутри корпуса 55. Более конкретно, первый соединитель 56 может быть подключен к стоку полевого транзистора и, например, в схеме, показанной на фиг.10, может быть подключен снаружи при помощи дополняющего (ответного) соединителя к линии 46, чтобы соединить сток полевого транзистора с источником питания. С другой стороны, второй соединитель 58 полевого транзистора подключен к истоку полевого транзистора внутри корпуса 55 и может быть соединен с дополняющим (ответным) соединителем, который, в свою очередь, подключен к линии 48 на фиг.10, чтобы подключить исток полевого транзистора к соответствующему участку схемы.

Третий соединитель 60 может быть подключен внутри к межэлектродному резистору. Третий соединитель 60 затем может быть соединен снаружи с дополняющим (ответным) соединителем, чтобы подключить линию 50 на фиг.10 к межэлектродному резистору R6 внутри корпуса 55. Четвертый соединитель 62 может быть подключен к пьезоэлектрическому измерительному преобразователю, который установлен внутри конструкции 54 блока. Четвертый соединитель 62 затем может быть подключен к линии 52, которая, как это показано на фиг.10, соединяет пьезоэлектрический измерительный преобразователь у затвора полевого транзистора с другими элементами схемы. Предпочтительно, чтобы три компонента конструкции 54 блока, находящиеся в полом корпусе, то есть пьезоэлектрический измерительный преобразователь, полевой транзистор и межэлектродный резистор, были упакованы в сухой азот 64. Следует иметь в виду, что физические соединители, показанные на фиг.10, показаны только для примера, причем возможны и другие схемы расположения соединителей (например, по одному соединителю на каждой из четырех сторон корпуса 55).

В имеющем 4 соединителя и содержащем 3 компонента блоке, когда эти компоненты находятся внутри корпуса 55, протекают весьма малые токи, что объясняется очень высокими сопротивлениями, например, такими как сопротивление типичного межэлектродного резистора 125 ГОм. В схемах, расположенных снаружи от преобразователя, полевого транзистора и межэлектродного резистора, протекают намного более сильные токи, чем те, которые протекают внутри корпуса. Таким образом, несмотря на то, что в одном корпусе могут быть установлены все компоненты схемы, показанной, например, на фиг.10, такие корпуса являются достаточно дорогими, в то время как простой четырехштырьковый блок, показанный на фиг.11, в котором содержатся только указанные 3 компонента, является дешевым.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления межэлектродной схемы для пьезоэлектрического измерительного преобразователя, следует иметь в виду, что этот вариант не имеет ограничительного характера, причем совершенно ясно, что в настоящее изобретение специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.

Изобретение относится к системам, использующим пьезоэлектрические измерительные преобразователи, например системе датчика обнаружения движения (перемещения). Сущность: датчик содержит измерительный преобразователь и межэлектродную схему. Межэлектродная схема содержит полевой транзистор, операционный усилитель с импедансом, не превышающим 10⁷ Ом, подключенный к затвору полевого транзистора через межэлектродный резистор. Инвертирующий вход операционного усилителя подключен к истоку полевого транзистора. Исток подключен к земле через резистор. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к делителю напряжения, содержащему резистор. Опорное напряжение сигнала полевого транзистора является плавающим между затвором и истоком полевого транзистора. Полевой транзистор и измерительный преобразователь могут быть установлены в одном четырехштырьковом блоке. Технический результат: возможность получения более сильного сигнала датчика без использования относительно дорогого имеющего высокий импеданс операционного усилителя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Пьезоэлектрический датчик, который содержит измерительный преобразователь и межэлектродную схему, имеющую общую землю и содержащую операционный усилитель с импедансом, не превышающим 10⁷ Ом, подключенный к затвору полевого транзистора через межэлектродный резистор, при этом инвертирующий вход операционного усилителя подключен к истоку полевого транзистора, исток подключен к земле через резистор, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к делителю напряжения, содержащему резистор, который подключен к источнику питания, и резистор, который подключен к земле.

2. Датчик по п.1, который содержит делитель выходного напряжения, включенный между затвором полевого транзистора и истоком полевого транзистора.

3. Пьезоэлектрический датчик, который содержит пьезоэлектрический измерительный преобразователь и межэлектродную схему, содержащую полевой транзистор, сток которого подключен к источнику питания, а затвор подключен к пьезоэлектрическому измерительному преобразователю и межэлектродному резистору, линию обратной связи, включающую PNP транзистор, соединенный каскадно с NPN транзистором, и резистор обратной связи, при этом исток полевого транзистора подключен через PNP транзистор к схеме делителя напряжения из двух резисторов, которая создает напряжение смещения для полевого транзистора, а NPN транзистор подключен к межэлектродному резистору через резистор обратной связи, и делитель, содержащий конденсатор и резистор и к которому подключен пьезоэлектрический измерительный преобразователь.

4. Датчик по п.3, у которого первый транзистор является частью участка линии обратной связи, подключенного к истоку полевого транзистора (Q1).

5. Датчик по п.4, в котором участок линии обратной связи содержит первый транзистор и второй транзистор, причем второй транзистор подключен к межэлектродному резистору и к первому транзистору.

6. Датчик по п.5, который содержит блок пьезоэлектрического измерительного преобразователя, который содержит пьезоэлектрический измерительный преобразователь, полевой транзистор и межэлектродный резистор, причем блок пьезоэлектрического измерительного преобразователя содержит первый доступный снаружи электрический соединитель, подключенный к стоку полевого транзистора для подвода к нему электропитания, второй доступный снаружи электрический соединитель, подключенный к истоку полевого транзистора, третий доступный снаружи электрический соединитель, подключенный к пьезоэлектрическому измерительному преобразователю, и четвертый доступный снаружи электрический соединитель, подключенный к межэлектродному резистору.