Типовые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков на примере измерительной аппаратуры НПП «ГлобалТест»

Введение

В настоящее время компания «ГлобалТест» выпускает полный спектр (более 300 типов) пьезоэлектрической датчиковой аппаратуры, включая вибропреобразователи с зарядовым выходом и со встроенной электроникой (широкого применения, промышленные и специального назначения), датчики давления, датчики силы, преобразователи акустической эмиссии, вибровыключатели, виброконтроллеры, автономные датчики мониторинга вибрации, калибраторы, усилители и согласующие электронные устройства. Их назначение — измерение и анализ механических колебаний и ударов, виброакустические исследования и испытания, непрерывный мониторинг и техническая диагностика промышленного оборудования, аттестация рабочих мест и промышленная санитария.

Число заказчиков быстро растет и уже превышает 1000. Почти у каждого заказчика — свои специфические требования. Для разработчика это поиск новых технических решений, технологий, зачастую и поиск новых материалов. Но в конечном счете решение каждой новой задачи — это ступень в повышении квалификации разработчика и в его готовности к решению новых задач. В результате творческого сотрудничества с заказчиками был создан параметрический ряд измерительных датчиков, и НПП «ГлобалТест» перешло к разработке согласующих устройств, позволяющих создавать «звенья» измерительных систем.

Анализ имеющегося технического задела, производственных, технологических и метрологических возможностей показал, что предприятие готово поставлять полный спектр услуг по комплектации измерительных испытательных комплексов и диагностических систем.

Варианты этих систем и предлагаются в данной статье. Представлены решения для задач различной сложности, реализованные как на аппаратном, так и на программном уровне, чем теперь можно просто пользоваться.

Для разработчиков систем технического диагностирования правильный выбор датчика и схемы его подключения в измерительном канале с множеством обратных связей является определяющим для получения достоверных результатов измерения параметров контроля с требуемой погрешностью без учета влияния внешних факторов (температуры окружающей среды, деформации основания, акустического поля и т. д.). Рассмотренные в статье типовые схемы подключения датчиков к регистрирующей аппаратуре призваны помочь разработчикам систем технического диагностирования решить следующие технические задачи:

• согласование выходного сигнала датчика (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) с входными характеристиками (нагрузкой) регистрирующей аппаратуры;
• выбор линии связи для передачи сигналов от датчика к регистрирующей аппаратуре;
• минимизация вносимых в соединительную схему шумов, обусловленных электрическими и электромагнитными наводками от источников питания, радиостанций, механических ключей, а также всплесками напряжения и тока, возникающими из-за процессов переключений в реактивных цепях;
• исключение дополнительных паразитных сигналов, связанных с неправильным подсоединением заземления.

Безусловно, в практике измерения механических величин и построения диагностических систем с пьезоэлектрическими датчиками уже сформулировано множество рекомендаций и существует много примеров и способов сочетаний комплектующих, но, к сожалению, сегодня так и не появилась возможность напрямую подключать пьезоэлектрические датчики к компьютеру.

Авторы не претендуют на универсальность предложенных решений. Цель этой статьи — обобщить рекомендации по согласованию пьезоэлектрических датчиков с измерительной аппаратурой.

Рекомендуемые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом

Основным элементом измерительных цепей пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом являются предусилители. Главная задача предусилителей — преобразование высокого выходного импеданса датчика в более низкий, допускающий непосредственное соединение датчика с относительно низкоимпедансной измерительной, анализирующей или регистрирующей аппаратурой (например, осциллографом с сопротивлением по входу R_вх = 1 МОм, анализатором спектра с сопротивлением по входу R_вх = 100 кОм и т. д.).

К другим задачам предусилителей относятся:

• согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) используемой аппаратуры;
• интегрирование пропорциональных ускорению сигналов пьезоэлектрических датчиков и, следовательно, получение сигналов, пропорциональных скорости или перемещению механических колебаний;
• сигнализация о перегрузке по входу и выходу;
• фильтрация обрабатываемых сигналов и, следовательно, исключение ненужных или нежелательных составляющих этих сигналов.

Входной каскад усилителей заряда состоит из операционного усилителя с емкостью обратной связи. И, по существу, он является электронным интегратором поступающего на его вход электрического тока. Напряжение на выходе последнего (U_вых) определяется из выражения [2]:

где Q_g — электрический заряд датчика, пропорциональный виброускорению; А — коэффициент усиления операционного усилителя; С_ос — емкость цепи обратной связи; C_g — емкость датчика; C_к — емкость соединительного кабеля; С_вх — емкость входной цепи усилителя.

С учетом присущего современным операционным усилителям большого значения коэффициента усиления (А ≈ 10⁵), малой емкости входной цепи (С_вх < 5 пФ) и при условии С_к < АС_ос выражение (1) принимает вид:

U_вых ≈ Q_g/С_ос.         (2)

Из выражения (2) следует, что выходное напряжение входного каскада усилителя заряда пропорционально емкости обратной связи, то есть коэффициент преобразования по заряду усилителя почти не изменяется при изменении емкости соединительного кабеля. Применение соединительных кабелей большой длины и, соответственно, большой емкости (C_к) оказывает влияние на общую чувствительность по заряду канала, уменьшает отношение сигнал/шум и обуславливает небольшой спад амплитудно-частотной характеристики (на ≈5%) в области высоких частот (>20 кГц).

Определим максимальную длину соединительного кабеля, в результате применения которого общая чувствительность по заряду канала «датчик — усилитель» изменится не более чем на 1%.

Предположив, что С_ос = C_g = 1 нФ и А = 10⁵, с помощью приведенного ранее выражения (1) вычислим:

C_к = 0,01(А+1)С_ос = 0,01(10⁵+1)1 = 10³ нФ.

Полученное значение соответствует длине кабеля 10 000 м при погонной емкости 100 пФ/м. Емкость цепи обратной связи С_ос находится в пределах от 100 пФ до 10 нФ, что соответствует коэффициентам преобразования по заряду усилителя от 10 до 0,1 мВ/пКл.

Применение соединительных кабелей большой длины и с малым значением коэффициента преобразования по заряду усилителя сопровождается увеличением собственного шума и, следовательно, уменьшением общего отношения сигнала к шуму. Это следует из выражения, определяющего эквивалентный шум по заряду [2]:

q = –U_ш(C_к + С_ос),         (3)

где U_ш — среднеквадратическое значение шума, приведенное ко входу, мкВ; C_к — емкость кабеля, нФ; С_ос — емкость цепи обратной связи, нФ.

Перечисленные выше задачи решают [1]:

• усилители заряда — АР5000, AQ02, AQ07, AQ07-01, АР5220-8, АР5220-16;
• усилители заряда дифференциальные — АР5001, AQ05, AQ08;
• усилители заряда и напряжения — АР5020, АР5230-16;
• измерительные усилители заряда и напряжения — АР5100, АР5200, АР5200-3, АР5200-4, АР5200-8-19″, АР5210-4;
• усилители напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии — GT200A, GT200A‑01, GT400А;
• усилители заряда преобразователей акустической эмиссии — GT500A, GT500A‑01, GT500B.

Рис. 1. Вибропреобразователи с зарядовым выходом

Для передачи сигналов от датчиков с зарядовым выходом — вибропреобразователей (рис. 1), датчиков силы (рис. 2), датчиков динамического давления (рис. 3), преобразователей акустической эмиссии (рис. 4) — к усилителю заряда или непосредственно к регистрирующей аппаратуре, имеющей предусилитель заряда в своем составе, используется антивибрационный малошумящий кабель. Однако при измерении ускорений низкого уровня (единицы g) могут появляться эффекты, связанные с трибоэлектрическими явлениями в кабеле. При ударных нагрузках этот эффект пропорционален длине колеблющейся (незакрепленной) части кабеля и длительности ударной нагрузки. При длительности ударной нагрузки до 10–20 мс ее влияние на результат измерений незначительно. В то же время при низкочастотных колебаниях влияние трибоэлектричества на результат измерения может оказаться решающим.

Рис. 2. Датчики силы

Рис. 3. Датчики динамического давления

Рис. 4. Преобразователи акустической эмиссии

Поэтому при измерениях ускорений низкого уровня целесообразно:

• Уменьшать длину участков кабеля, подвергающихся вибрационным или ударным возмущениям.
• Уменьшать длину участка кабеля, расположенного между последней точкой крепления его на подвижном объекте и первой неподвижной точкой.
• Производить крепление кабеля на объекте испытаний без натяжения и провисания при помощи хомутов, скоб, мастик и т. д. с шагом 200–300 мм и первой точкой крепления, отстоящей на 30–50 мм от датчика (2–5 мм для АР19).
• Перед испытаниями (если возможно) определять уровень сигнала, обусловленного трибоэлектричеством, в кабельных линиях «вибропреобразователь – регистрирующая аппаратура», используя в процессе испытаний «фоновые» линии связи (или «фоновые» вибропреобразователи).
• Для преобразователей акустической эмиссии, работающих в частотном диапазоне от 50 кГц, использование антивибрационного кабеля не обязательно.

Выбор согласующих усилителей рекомендуется проводить исходя из:

• обычного или дифференциального исполнения датчика;
• необходимого коэффициента усиления и возможности его изменения;
• необходимости управления и связи через компьютер;
• количества каналов усиления;
• требований по сертификации в Госреестре и по взрывозащите.

Примеры схем подключения пьезоэлектрических вибропреобразователей, датчиков давления, датчиков силы, преобразователей акустической эмиссии с зарядовым выходом к регистрирующей аппаратуре (например, к цифровому осциллографу TDS3034B компании Tektronis, анализатору спектра Siglab SPECTRA DYNAMIC, анализатору спектра А17‑U2 (А19‑U2) ZETlab, высокочастотному анализатору спектра А23 ZETlab) приведены на рис. 5–16.

В схеме подключения на рис. 5 блок питания AS07 осуществляет:

• электропитание усилителя заряда АР5000;
• усиление сигнала;
• передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
• подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100 м;
• снижение влияния переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения;
• согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительности) используемой регистрирующей аппаратуры.

Рис. 5. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом с разъемным соединением и усилителем заряда АР5000:
АР — АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АP97, АР48, АР49, АР50;
АР5000 — усилитель заряда;
AS07 — блок питания;
AS05 — блок питания;
АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07;
АК2, АК3 — соединительный кабель АК19;
регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

Согласующее устройство AG01 (AG02) в схеме на рис. 6 осуществляет:

• электропитание усилителя заряда АР5000, передачу сигнала по двухпроводной линии связи;
• подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100 м.

Рис. 6. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с усилителем заряда АР5000:
АР — АР11, АР12, АР19, АР30, АР31, АР32, АР33, АР77, АР77 М, АР90, АР78; АР5000 — усилитель заряда;
AG01 (AG02) — согласующее устройство;
AS03 — блок питания;
АК2, АК3 — соединительный кабель АК19;
регистрирующая аппаратура, например цифровой анализатор спектра Siglab 50-21 SPECTRA DYNAMIC

Согласующее устройство AG02 снижает влияние переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения.

Трехканальный измерительный усилитель заряда и напряжения АР5200-3 в схеме, представленной на рис. 7, обеспечивает измерение ускорения в режиме нормирования СКЗ одновременно по трем осям датчика и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов используемой регистрирующей аппаратуры.

Рис. 7. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для трехкомпонентного вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с измерительным усилителем напряжения и заряда АР5200-3:
АР — АР20, АР1020, АР21, АР22, АР23, АР38, АР79 АР80, АР81;
АР5200-3 — измерительный усилитель напряжения и заряда;
AS05-01 — блок питания;
АК — соединительный кабель АК19;
регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

Приведем пример измерения СКЗ ускорения измерительным усилителем АР5200-3 при ожидаемом значении ускорения α ≈ 50g в частотном диапазоне 1–10 000 Гц. Коэффициент преобразования по заряду используемого датчика S равен 10,3 пКл/g.

Последовательность действий должна быть такой:

• Установить датчик на объект согласно эксплуатационной документации на датчик.
• Подключить выход датчика к входу усилителя.
• Установить значение частоты среза фильтров верхних ФВЧ и нижних ФНЧ частот H1 и L10.
• Установить коэффициент нормирования К_н, используя значение чувствительности S (в пКл/g) используемого датчика в соответствии с выражением:

К_н = S/10ⁿ,

где n = 1, 2, … для S > 9,99; n = 0 для 1 ≤ S ≤ 9,99; n = –1, –2, ѕ для S < 1; соответственно, К_н = 10,3/10 = 1,03.

• Установить коэффициент преобразования по заряду К_п [мВ/пКл] из ряда 1, 10, 100, 1000, руководствуясь соотношением:

К_п ≤ (U_max×К_н)/(α×S),

где U_max — максимальное выходное напряжение усилителя (10 В); соответственно, К_п = 10.

• Выполнить измерение виброускорения и определить СКЗ ускорения α согласно выражению:

α = (U_изм×К_н)/(S×К_п),

где U_изм — измеренное значение напряжения на выходе усилителя по показаниям дисплея.

Управление режимом работы измерительного усилителя напряжения и заряда АР5210-4 в схеме представлено на рис. 8, включая питание. Нормирование (пример измерения в режиме нормирования — на рис. 7) и визуализация измеренных значений осуществляются посредством компьютерного программного обеспечения с использованием интерфейса связи с компьютером USB 2.0.

Рис. 8. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для трехкомпонентного и однокомпонентного датчиков с зарядовым выходом и разъемным соединением с четырехканальным измерительным усилителем напряжения и заряда АР5210-4:
АР1 — АР26, АР38 Р;
АР2 — АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АР47, АР48, АР50;
АР5210-4 — измерительный усилитель заряда и напряжения;
АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК03, АК03-01, АК11;
АК2 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07;
АК3 — интерфейсный кабель USB; регистрирующая аппаратура, например персональный компьютер

В схеме на рис. 9 дифференциальный усилитель заряда AQ05 преобразует высокоимпедансный сигнал заряда вибропреобразователя в низкоимпедансный сигнал напряжения и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительностью) используемой аппаратуры. AQ05 позволяет использовать длинные линии связи (до 100 м), практически не уменьшая чувствительность и не ограничивая область низких частот.

Рис. 9. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AQ05:
АР — АР62 В, АР62 В 02, АР63 В, АР63 В 01;
АQ05 — дифференциальный усилитель заряда;
AS05-04 — блок питания; регистрирующая аппаратура, например анализатор А17 U2 ZETlab

В схеме на рис. 10 блок питания AS07 реализует те же функции и режимы, что и в схеме подключения, изображенной на рис. 5.

Рис. 10. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AР5001:
АР — АР62 В, АР62 В 02, АР63 В, АР63 В 01;
АР5001 — дифференциальный усилитель заряда;
AS07 — блок питания; АS05 — блок питания;
АК — соединительный кабель АК19;
регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

В схеме подключения (рис. 11) промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом дифференциальный усилитель заряда AQ08 позволяет:

• управлять режимом работы через интерфейс RS‑485;
• использовать длинные линии связи (до 100 м).

Рис. 11. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AQ08:
АР — АР62 В, АР62 В 02, АР63 В, АР63 В 01;
АQ08 — дифференциальный усилитель заряда;
AS05-04 — блок питания;
АG15 — преобразователь интерфейса USB-RS485;
АК1 — АК34-01;
АК2 — интерфейсный соединительный кабель USB А В;
регистрирующая аппаратура, например анализатор спектра А17 U2 ZETlab

Преобразователь AG15 осуществляет прием и передачу сигналов на расстояние до 1000 м при подключении AQ08 к USB-порту компьютера.

Особенности режима работы преобразователя AG15:

• реализация интерфейса в соответствии со спецификацией MODBUS EIAITIA‑485;
• гальваническая развязка интерфейса USB;
• работа в 2‑проводной топологии;
• USB-протокол Rev 2.0 (высокоскоростной);
• питание от порта USB, не требующего внешнего питания;
• поддержка Windows XP/VISTA/7;
• встроенный преобразователь для питания подключаемых устройств (+5 В);
• подключение до 128 устройств, имеющих интерфейс RS‑485.

С помощью измерительного канала (схема на рис. 12) можно определять значение низкочастотных колебаний (от 0,01 Гц).

Рис. 12. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для высокочувствительного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AQ05 Д.1:
АР — АР06, АР47;
AQ05 Д.1 — дифференциальный усилитель заряда;
AS05-04 — блок питания;
АК — антивибрационный соединительный кабель АК20;
регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

Усилитель заряда и напряжения АР5020 в схеме подключения на рис. 13 позволяет реализовать режим нормирования (пример измерения в режиме нормирования — на рис. 7), индикацию перегрузки, управление режимом работы через порт USB.

Рис. 13. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для датчика силы с разъемным соединителем с усилителем заряда и напряжения АР5020:
АС — АС20, АС23;
АР5020 — усилитель заряда и напряжения;
AS05 — блок питания;
АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05;
АК2 — соединительный кабель АК19;
АК3 — интерфейсный кабель USB A B;
АК4 — интерфейсный кабель USB;
регистрирующая аппаратура, например анализатор спектра А17 U2 ZETlab

Особенностью работы усилителя AQ02 (рис. 14) является встроенный в корпус аккумулятор с подзарядкой от внешнего блока питания и индикацией контроля питания. AQ02 позволяет использовать длинные линии связи (до 100 м), практически не уменьшая коэффициент преобразования и не ограничивая область низких частот.

Рис. 14. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для датчика динамического давления с зарядовым выходом и разъемным соединением с усилителем заряда AQ02:
PS — PS01, PS01-01, PS01-03, PS02, PS02-01;
АQ02 — усилитель заряда;
AS05 — блок питания;
АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07;
АК2 — соединительный кабель АК19;
регистрирующая аппаратура, например анализатор спектра А19 U2 ZETlab

В схеме на рис. 15 усилитель напряжения сигналов GT200A (GT200A‑01) и усилитель заряда сигналов GT500A‑01 осуществляют прием и усиление до нормированных значений сигналов преобразователей акустической эмиссии. GT200A (GT200A‑01) и GT500A‑01 работают на коаксиальную 50-Ом линию связи длиной до 100 м.

Рис. 15. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для преобразователя акустической эмиссии с зарядовым выходом с усилителем напряжения сигналов GT200A (GT200A 01) или усилителем заряда сигналов преобразователей акустической эмиссии GT500A 01:
GT — GT200, GT205, GT200B, GT300, GT301;
GT200A (GT200A 01) — усилитель напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии;
GT500A 01 — усилитель заряда сигналов преобразователей акустической эмиссии;
AG09 — согласующее устройство; AS05 (AS03, AS04) — блок питания;
АК — соединительный радиочастотный кабель АК39;
регистрирующая аппаратура, например высокочастотный анализатор спектра А23 ZETlab

GT500A‑01 позволяет использовать длинные линии связи от датчиков GT до усилителя (до 10 м).

Усилитель напряжения сигналов GT400A (рис. 16) осуществляет прием и усиление до нормированных значений сигналов преобразователя акустической эмиссии с трансформаторным выходом GT400. GT400A работает на коаксиальную 50‑Ом линию связи длиной до 100 м. В датчике GT400 предусмотрен канал тестирования, функционирующий от внешнего генератора электрических импульсов, подключаемого к выходу усилителя GT400A.

Рис. 16. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для акустического датчика с трансформаторным выходом GT400 с усилителем напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии GT400A:
GT — GT400;
GT400A — усилитель напряжения сигналов;
AG09 — согласующее устройство;
AS05 (AS03, AS04) — блок питания;
регистрирующая аппаратура, например высокочастотный анализатор спектра А23 ZETlab;
генератор — генератор электрических импульсов для канала тестирования, например TGP110 Pulse Generator фирмы THURLBY THANDAR INSTRUMENTS