3.6 Выбор типа согласующего устройства.

Пьезоэлектрические вибропреобразователи имеют высокое вы­ходное сопротивление, которое, в основном, определяется собст­венной емкостью, и генерируют электрический сигнал мощностью 10^-12... 10^-14 Вт [20]. Такой малой интенсивности сигнал по кабелю или через выносное согласующее устройство может передаваться к измерительному прибору на расстоянии 100 м и более. Поэтому передача и усиление полезного вибрационного сигнала, особенно в условиях действия на вибропреобразователь и его соединитель­ный кабель повышенных вибраций, температур, влажности и раз­личного происхождения электрических, механических и акустиче­ских помех, является сложной задачей. Решение этой задачи в значительной степени определяется схемой согласующего устрой­ства, конструкцией соединительного кабеля и вибропреобразова­теля.

Все многообразие применяемых согласующих устройств можно разделить на две группы: усилители напряжения и усилители за­ряда.

Усилители напряжения имеют высокое входное сопротивление и, в большинстве случаев, располагаются недалеко (1...5 м) от вибропреобразователя, а иногда непосредственно в корпусе виб­ропреобразователя.

Размещение согласующего усилителя в корпусе вибропреобра­зователя позволяет свести до минимума влияние помех и шунти­рующего действия емкости кабеля. В этом случае динамический диапазон измерений и диапазон рабочих температур определяются вибропрочностью и термостойкостью элементов согласующего уси­лителя.

С увеличением номенклатуры выпускаемых микросхем, позво­ляющих создать малогабаритные конструкции высокочувствитель­ных устройств, в качестве согласующих каскадов усилительно-пре­образующей аппаратуры все большее применение находят усили­тели заряда. В схеме усилителя заряда всегда исполь­зуется усилитель напряжения с большим (К>200) коэффициентом усиления, который охвачен глубокой параллельной отрицательной обратной связью через емкость С_ос. Сопротивление R_oc обычно включается в усилителе заряда для стабилизации режимов каска­дов по постоянному току.

Согласующие устройства, выполненные на базе усилителя заря­да, не чувствительны к длине соединительного кабеля, имеют ши­рокий динамический диапазон, который может изменяться путем переключения емкости обратной связи С_ос, и обеспечивают необхо­димую равномерность частотной характеристики в области инфранизких частот. К недостаткам усилителей заряда следует отнести сложность их принципиальных схем, чувствительность к перегруз­кам и изменениям внешних факторов как самих усилителей, так и их входных цепей.

Колебания соединительного кабеля, или, что чаще встречается, его отдельного участка вызывают помехи, частотный спектр кото­рых находится в диапазоне до 500 Гц. Сигналы помех, осо­бенно при измерениях низких уровней низкочастотных параметров вибраций, приводят к дополнительным погрешностям, а иногда и к искажению измеряемого сигнала.

4 ИНФОРМАЦИОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КАНАЛА ИЗМЕРЕНИЙ

4.1 Условия достижения максимальной эффективности измерительной цепи.

Общий принцип достижения наибольшей эффективности средств измерений — информационно-энергетический анализ каждого узла цепи измерительных преобразователей — был известен в провод­ной связи и радиосвязи, измерительной технике и автоматике задолго до появления теории информации и квалиметрии.

Действительно, любое измерительное устройство (рисунок 8) представляет собой канал приема, преобразования и передачи.

Рисунок 8  Блок-схема измерительных устройств

Передача информации по этому каналу происходит потоками энергии с мощностями Р₀, Р₁, Р₂... Погрешность на входе первого преобразователя определяется лишь негэнтропйей, то есть опре­деленностью самой измеряемой величины, и зависит от мощности Р₀, отбираемой прибором от объекта измерения, и уровня помех на входе прибора. Однако далее с этой погрешностью суммируются погрешности преобразователей, и их результирующие суммы непрерывно возрастают. Поэтому погрешность, допущен­ная каким-либо промежуточным преобразователем (если только она не систематическая и не может быть скорректирована), не может быть устранена. Отсюда общим принципом построения измеритель­ных устройств является принцип достижения наименьших погреш­ностей в каждом звене цепи преобразователей. Однако повышение точности, чувствительности или быстродействия каждого из преоб­разователей достигается за счет возрастания его сложности, массы, стоимости и ненадежности.

Единственным решением этого противоречия является отыска­ние оптимальных соотношений для каждого преобразователя. Если учесть при этом, что информация по цепи преобразователей пере­дается потоками энергии, первым и наиболее общим прин­ципом конструирования преобразователей является принцип обес­печения наиболее эффективной передачи энергии этими преобразователями. Этот принцип, общий для любых энергетических и параметрических преобразователей, вытекает из теории четырех­полюсников и является принципом согласования их входных и выходных сопротивлений.