Форум: Техническая поддержка

Ситуация следующая: спаяно всё по схеме, подключено к ноутбуку, запущена программа LGraph, используется пьезоэлектрический (перед эти электродинамический) датчик. Бросается шарик на мрамор, под которым установлен демпфер. Сигнал есть. Трудно определить разнообразные физические параметры волны в связи с более чем некачественным сигналом: кривая, трудноопределяемая синусоида. На Ваших примерах именно тот сигнал, который нам требуется (чётко выраженная синусоида), но объясните пожалуйста, как его получить? Спасибо.

<<..спаяно всё по схеме>>
По какой схеме?
Особо не заботясь о качестве, пьезодатчик можно, конечно, подключить к E14-140 без усилителя напрямую, но только  с использованием одноканального режима + параллельного многомегаомного резистора + полностью экранированного подключения. Но гораздо лучшее качество можно достигнуть только  с  использованием согласующего усилителя (усилителя заряда)... Бывает, что в состав датчика уже входит усилитель...
В любом случае, чтобы дать более конкретные рекомендации по подключению, нужно знать электрические параметры данного пьезодатчика, диапазон физических воздействий (ускорений), в котором желаете работать, а также рабочий диапазон частот.

Спасибо за ответ.
Используется пьезодатчик следующей модели: П111 - 0,025 (МГц) - ПЗ1МС. К датчику последовательно подключили 2 резистора в качестве делителей напряжения по 100 кОм и 11 кОм соответственно. Датчик имеет 2 контакта. Один контакт подключили на аналоговый выход АЦП к ряду: 3-й поключён с 21 и 21 - подряд до 36 выхода. Второй контакт подключён к 37-му выходу. Мы не акцентировали внимание на подключении определённого контакта к 37-му, а второго к ряду выходов (может быть, это оказывает влияние...).
Мы желаем регистрировать сигнал менее 20 кГц. Ускорение ~ от 1 - 10 м//c^2.
p.s. если это возможно, как можно писать Вам на "мыло". Есть так сказать нужда в получении максимально качественной волны в самое ближайшее время для дальнейших расчётов.

Дайте ссылку на документацию на П111 - 0,025 (МГц) - ПЗ1МС  или  приведите технические данные:
- какая собственная ёмкость пьезодатчика (пФ)?
- Какая чувствительность пьезодатчика (Кл*C^2/м)?
- Какое максимально возможное ускорение нужно корректно измерять?  10 м//c^2 - это максимум?
Я так понял, что верхняя частота полосы частот сигнала у Вас 20 кГц. А нижняя частота какая требуется?
Вы можете <<нужду в получении максимально качественной волны>> выразить количественно (иначе, понятие качества весьма относительно):
- Какая равномерность АЧХ требуется в определённой полосе пропускания?
- Какой динамический диапазон сигналов нужно регистрировать? 
- Какую точность (в процентах) передаточной характеристики (точность масштаба) Вы хотите получить? 
Уточните, на сколько датчик удалён от E14-140?
Если Вам удобнее, можете писать на support@lcard.ru

Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий под редакцией д-ра техн. наук проф. В.В. Клюева том 2 : "ЦТС - 19 1)диэлектр. постоянная 1525+-325 ; 2)пьезомодуль - 200*10^12 Кл/Н; 3) коэффициент электромех. связи - 0,4;
П111 с ЦТС-19:
1)передаточная ф-ция = -30 Дцб
Предположительно, 10 м//с^2 - да, максимум.
Нижнаяя частота полосі 100 Гц.
Равномерность АЧХ порядка 10%.
Динамический диапазон сигналов, т.е. различие между слабым и сильным сигналами не более, чем в 100 раз.
Точность передаточной хар-ки порядка 10% также.
Датчик удалён от Е14-140 на не более, чем метр, но в случае критичности мы можем это регулировать.

Аlex. Для оценки возможности прямого подключения пьезодатчика к E14-140 как к усилителю напряжения, нужно начать с вычисления максимального напряжения U, которое  будет на входе E14-140. Как известно U=Q/C, где Q-заряд, С-ёмкость.  Ёмкость датчика Вы не cообщаете.  Заряд тоже напрямую из Ваших данных не вычисляется: если  200*10^12 Кл/Н - это передаточная характеристика пьезодатчика (я так это понял), и  10 м//c^2 - это ускорение, то сила может быть вычислена только тогда, когда известна масса. Кроме того, физический смысл  параметра "передаточная ф-ция = -30 Дцб" тоже неясен. Передаточная функция от чего к чему?

Я полагаю, что собственную емкость пьезодатчика довольно легко измерить при наличии у Вас измерительного моста (измерителя импеданса). Массу m  "жесткой сцепки" пьезодатчика с основой можно измерить или оценить. Далее, силу (Н) определяем как масса*ускорение, и далее, из коэффициента  200*10^12 Кл/Н определяем заряд (Кл). Когда приведёте эти численные данные, тогда, проведя несколько дополнительных расчётов, я смогу оценить практическую возможность подключения Вашего пьезодатчика к  E14-140 либо непосредственно, либо через предусилитель.

Проведя опыты, мы получили следующие результаты: максимальное ускорение - не более 10g, а максимальная частота до 1 kHz.
Измерив ёмкость, получили значение 1280 пФ.
Что Вы подразумеваете под массой жёсткой сцепки пьезодатчика? Масса самого пьезодатчика равна 500 г.

Да, прошу прощения, максимальное ускорение и максимальная частота приведены с делителем с множителем 10; т.е. ускорение будет 100g.

Под массой жёсткой сцепки я подразумеваю ту массу, которую нужно принять для расчёта силы F= m*a, действующей на датчик. Интуитивно понятно, что если датчик жестко сцеплен с какой-то внешней массой, то нужно брать для расчёта массу всей этой системы масс и ускорение, действующее на эту систему. Если датчик мягко связан (демпфирован), то внешней массой можно принебречь, в этом случае берут массу датчика и ускорение датчика.

Если сообщите рассчитанную Вами максимальную силу (Н), действующую на датчик, то остальное я посчитаю из вышеприведённых данных.

Подсчитав силу, получили ~735 H;
m = 0.75 кг;
а = 100g;

Я правильно понял, что Вы в коэффициенте
200*10^12 Кл/Н  знак минус степени потеряли?
Должно быть 200*10^-12 Кл/Н?

Да, Вы правильно поняли, прошу прощения.

РАСЧЁТ.
------
1. Входная максимальная амплитуда заряда:
200*10^-12 Кл/Н * 735 H = 147*10^-9 Кл

2. Емкость кабеля:
Типично, погонная ёмкость экранированного кабеля 100 пФ/м.
Для кабеля 1 м будет порядка 100 пФ

3. Входная емкость, с учётом емкости кабеля:
1280 пф + 100 пФ = 1380 пФ = 1,38 *10^-9 Ф

4. Амплитуда входного напряжения c учётом ёмкости:
147*10^-9 Кл / 1,38 *10^-9 Ф = 106,5 В !
Поскольку на вход E14-140 такое напряжение подать нельзя, применим параллельное включение дополнительного конденсатора 15 нФ. Для этого случая получим:
147*10^-9 Кл / (1,38 *10^-9 Ф + 15 *10^-9 Ф)  = 8,97 В

5. Для обеспечения рабочего режима входа E14-140 по постоянному току считаем минимально допустимое сопротивление резистора R (который будем включать параллельно датчику и добавочной ёмкости), исходя из критерия получения нижней границы полосы частот пропускания Fн=100 Гц по уровню -3 дБ: Fн=1/(2*3,14*R*C). Отсюда находим R=1/(6,28*100 Гц*16,38*10^-9 Ф ) = 97,2*10^3 Ом   
 
6. Оцениваем, какое будет максимальное смещение нуля E14-140 для сопротивления источника сигнала 97,2*10^3 Ом с учётом входного тока E14-140 (порядка 0,1 мкА):
97,2*10^3 Ом * 0,1*10^-6 А = 9,7*10^-3 В - для поддиапазона +-10 В E14-140 это примерно 0,1% от половины шкалы.

7. Оценка мощности нагрузочного резистора: P=U^2/R
P= (8,97 В)^2/ 97,2*10^3 = 0,8*10^-3 Вт   

Практические рекомендации для рассчитанного случая подключения:
1) E14-140 должен быть использован в 1-канальном режиме, на поддиапазоне +-10 В.
2) Параллельно датчику должны быть подключены нагрузочный конденсатор 15 нФ (обязательно плёночный), а также нагрузочный резистор 100 кОм - 0,125 Вт.
3) Все элементы сигнальной цепи (датчик, кабель, конденсатор, резистор) должны иметь сплошную экранированную конструкцию. Экран кабеля должен быть распаян на металлический корпус кабельной части 37-контактного сигнального разъёма E14-140. Предположу, что в случае однофазного подключения (об этом ниже) понадобится также сплошное экранирование всего корпуса E14-140.

Возможны два случая подключения к пьезодатчику - 2-х проводное (экран+центральная жила) и 3-х проводное (экран + два центральных проводника) в зависимости от конструкции самого датчика (про П111 - 0,025 (МГц) - ПЗ1МС ничего не знаю, документации я не нашел). Первый случай соответствует однофазному подключению источника заряда, второй - дифференциальному. Для каждого из этих случаев будет оптимальна разная схема подключения. Alex, когда скажите какой у Вас случай, схему подключения приведу.

Отдельно замечу для тех, кого заинтересовал данный способ подключения пьезодатчика к АЦП без усилителя заряда: это возможно далеко не всегда, а именно:
- когда амплитуда заряда довольно велика (десятки-сотни нанокулон)
- когда требования к нижней границе полосы пропускания довольно мягкие. (обычно требуется порядка 1 Гц, в данном случае 100 Гц).
- когда АЦП имеет высокоомный вход (для любого АЦП с входным коммутатором - это только одноканальный режим).
По-прежнему считаю подключение с помошью усилителя заряда более  качественным, поскольку
такое подключение практически не зависит от длины и ёмкости кабеля, с усилителем можно получить гораздо лучшее соотношение сигнал/шум и раномерность АЧХ заряд-напряжение.

У нас двухпроводное подключение к пьезодатчику.

Alex, один из проводов соединён с экраном (корпусом) датчика, а второй изолирован от экрана?

Один провод подсоединён к самому экрану, а второй внутри экрана впаян.

Тогда параллельно датчику нужно подсоединить вышеуказанный конденсатор и резистор, экран от датчика подсоединить к цепям AGND, GND32, Y1 и металлическому корпусу кабельной части разъёма  модуля E14-140, второй конец от датчика - к X1. Датчик, конденсатор, резистор, кабель - всё должно быть выполнено в виде хорошо экранированной конструкции без просветов в экране. Проводящий экран конструкции должен быть связан с экраном кабеля. Я не исключаю, что экран нужно будет одеть и на сам корпус E14-140, но Вы это поймёте сами, если будет заметно повышение наводки 50 Гц, скажем, от поднесения руки к корпусу (в случае низкоомного датчика такое влияние от руки не наблюдается, но Ваш случай - это сверхвысокоомный датчик...). Настраивайте E14-140 на одноканальный сбор данных с первого физического канала, устанавливайте диапазон +-10 В. Кажется, я всё изложил...

Экран конструкции вполне можно связать в одной точке с корпусом заземлённого системного блока компьютера для исключения сбоев USB, например, от электростатических разрядов.