БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/68 G01R15/00 

Описание патента на изобретение RU2523122C1

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин.

По физической природе измеряемых сигналов датчики классифицируются на электрические, электромагнитные, акустические, оптические и т.д. и, в этой связи, они присутствуют в разных классах МПК. Заявляемое техническое решение относится одновременно ко многим из перечисленных датчиков, выходной электрический сигнал которых функционально связан с измеряемым физическим параметром тех или иных объектов техники, физики, химии, биологии, медицины, ближнего и дальнего космоса и т.п.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является датчик физических величин с потенциальным выходом, представленный в учебном пособии Топильского В.Б. «Схемотехника измерительных устройств / В.Б.Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - С.125. - Рис.3.11 б», который содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7.

Аналогичную архитектуру имеют датчики других направлений измерительной техники [1-20] - акселерометры, датчики температуры [15], датчики деформации, датчики оптического излучения [1, 3-9, 17-19], датчики удара [10, 13], радиации [16], датчики акустических сигналов [14], датчики тока [11, 2] и т.п.

Существенный недостаток известного датчика-прототипа состоит в том, что его быстродействие ограничивается внутренней емкостью 2, являющейся неотъемлемой частью сенсорного элемента 1, генерирующего электрический сигнал, пропорциональный измеряемой физической величине.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины.

Поставленная задача решается тем, что в датчике физических величин с потенциальным выходом фиг.2, содержащем сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 6 соединен со входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный неинвертирующий усилитель тока 9.

На чертеже фиг.1 приведена схема устройства-прототипа.

На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор 1 с внутренней емкостью 2 и внутренним сопротивлением 3, включенный по переменному току между входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5, выход 6 которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания 7. Выход устройства 6 соединен со входом 4 неинвертирующего буферного усилителя напряжения 5 через последовательно соединенные корректирующий конденсатор 8 и дополнительный неинвертирующий усилитель тока 9.

Рассмотрим работу датчиков фиг.1 и фиг.2.

Передаточная функция и верхняя граничная частота fв (по уровню - 3 дБ) датчика физических величин - прототипа фиг.1 определяются формулами

W ( j ω ) = U ˙ в ы х I ˙ 1 = R 3 1 + j ω τ в ,                                              ( 1 )

f в = 1 2 π τ в ,                                                                    ( 2 )

где τв=R3С2 - постоянная времени сенсора 1;

R3 - внутреннее сопротивление сенсора 1;

С2 - внутренняя емкость сенсора 1.

В заявляемой схеме фиг.2 аналогичная передаточная функция

W ( j ω ) = R 3 1 + j ω C 2 R 3 ( 1 K ˙ i K ˙ y C 8 C 2 ) ,                                   ( 3 )

где K ˙ i 1 - комплексный коэффициент передачи по току дополнительного усилителя тока 9;

Кy≈1 - комплексный коэффициент передачи по напряжению неинвертирующего буферного усилителя 5;

С2, C8 - внутренняя емкость 2 и емкость корректирующего конденсатора 8.

Если в рабочем диапазоне частот обеспечить K ˙ y = K y 1 , K ˙ i = K i 1 , C8=C2, то в схеме фиг.2 реализуется в N-раз более высокие значения верхней граничной частоты

f в * 1 2 π C 2 R 3 ( 1 T ) ,                                                        ( 4 )

N = f в * f в 1 1 T > > 1,                                                   ( 5 )

где f в * , fв - верхние граничные частоты предлагаемого ( f в * ) и известного (fв) устройств;

T = K i K y C 8 C 2 < 1 .

По мере приближения расчетных значений f в * заявляемого устройства к верхним граничным частотам неинвертирующего буферного усилителя 5 (fв5) и дополнительного усилителя тока 9 (fв9) эффективность заявляемого устройства будет уменьшаться. Однако практическая реализация данных функциональных узлов с f в 5 > > f в * и f в 9 > > f в * , имеющих единичное усиление, не вызывает проблем для многих применений схемы фиг.2 с различными типами сенсоров 1.

Таким образом, предлагаемый датчик характеризуется более высоким быстродействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Филипп С.Д.Хоббс. Усилители для фотодиодов на операционных усилителях / Филипп С.Д.Хоббс; перевод: Дмитрий Иоффе // Компоненты и технологии. - №3. - 2009. - Рис.7а.

2. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б.Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - С.164. - Рис.3.52.

3. Патент US 4.292.514 fig.1.

4. Патенти US 599.527.

5. Патент US 5.270.533 fig.1.

6. Патент US 5.867.066 fig.1.

7. Патент ЕР 0977353 fig.2.

8. Патент US 6.753.733 fig.1, fig.2.

9. Патент ЕР 0098662 fig.1.

10. Патент WO/2006/130828.

11. Патент СА 2069858.

12. Патент US 4.487.063.

13. Патент US 6.407.631.

14. Патентная заявка US 2007/0297623.

15. Патентная заявка US 2008/0082291.

16. Патент US 7.911.278 fig.1.

17. Патент US 4.492.931.

18. Патент US 6.417.504 fig.1.

19. Патент US 4.535.233 fig.2a.

20. Патент ЕР 1010237 fig.4.

Похожие патенты RU2523122C1

название год авторы номер документа
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ 2013
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
RU2517682C1
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ 2013
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
  • Суворов Вячеслав Вячеславович
RU2534455C1
ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 2012
  • Сергеев Вячеслав Андреевич
  • Крутчинский Сергей Георгиевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Урлапов Олег Владимирович
RU2516007C2
ТРАНСИМПЕДАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ И КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ 2012
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2519440C1
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ 2013
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Пахомов Илья Викторович
  • Суворов Вячеслав Вячеславович
RU2519419C1
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИСТОКОВЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ 2013
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Пахомов Илья Викторович
RU2530263C1
КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ 2014
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2572376C1
ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ 2014
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Пётр Сергеевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
RU2572388C1
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ КАСКАДА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ИЛИ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ) 2012
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Бутырлагин Николай Владимирович
RU2515538C1
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ АТТЕНЮАТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ 2013
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
  • Суворов Вячеслав Вячеславович
RU2536674C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 523 122 C1

Реферат патента 2014 года БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДАТЧИК ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Технический результат: повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости сенсора на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой величины. Для этого предложен быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом, который содержит сенсор с внутренней емкостью и внутренним сопротивлением, включенный по переменному току между входом неинвертирующего буферного усилителя напряжения, выход которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания. Выход устройства соединен со входом неинвертирующего буферного усилителя напряжения через последовательно соединенные корректирующий конденсатор и дополнительный неинвертирующий усилитель тока. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 523 122 C1

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом, содержащий сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), включенный по переменному току между входом (4) неинвертирующего буферного усилителя напряжения (5), выход (6) которого является выходом устройства, и общей шиной источника питания (7), отличающийся тем, что выход устройства (6) соединен со входом (4) неинвертирующего буферного усилителя напряжения (5) через последовательно соединенные корректирующий конденсатор (8) и дополнительный неинвертирующий усилитель тока (9).

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2523122C1

ТОПИЛЬСКИЙ В.Б., Схемотехника измерительных устройств, Москва, Бином, Лаборатория знаний, 2006, стр
Плуг с фрезерным барабаном для рыхления пласта 1922
  • Громов И.С.
SU125A1
Частотный датчик давления (его варианты) 1981
  • Иванов Сергей Юрьевич
  • Корольков Игорь Валентинович
  • Прокопенко Николай Николаевич
SU1000807A1
ЦЕПЬ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ УСТОЙЧИВОГО К РАДИАЦИИ ДАТЧИКА 2007
  • Глесиус Фредерик
RU2432552C2
US 20110267212 A1, 03.11.2011

RU 2 523 122 C1

Авторы

Прокопенко Николай Николаевич

Дворников Олег Владимирович

Будяков Петр Сергеевич

Даты

2014-07-20Публикация

2012-12-07Подача