Входные преобразователи. Обработка сигнала, страница 10

Измерительные приборы в электрических измерениях

Может также наблюдаться обратный эффект: образец пьезоэлектрического материала деформируется, когда к нему приложено электрическое напряжение.

На рис. 3.1 3(а) показано, как можно воспользоваться пьезоэлектрическим эффектом в датчике давления. Заряд Q, возникающий на гранях кристалла, пропорционален приложенной силе F, а давление Р = AF,где А- площадь поверхности, на которую действует сила F. Чувствительность по заряду S_q пьезоэлектрического датчика силы определяется как

Эта чувствительность зависит от материала кристалла и его ориентации, но не зависит от размеров кристалла. Чувствительность по напряжению S_v, по определению, равна

и, поскольку для конденсатора справедливо равенство Q = СV, находим

где С — электрическая емкость датчика. Очевидно, что чувствительность пьезоэлектрического датчика по напряжению зависит от его размеров.

На рис. 3.13(Ь) показана электрическая эквивалентная схема такого пьезоэлектрического датчика. Резистор R, включенный между двумя выводами, отражает обычно очень высокое сопротивление утечки. Благодаря этому становится невозможным с помощью датчика такого типа измерять статические силы. Статическая сила вызвала бы появление на выходе постоянного напряжения. Однако из-за утечки заряда через влажную или загрязненную поверхность и конечное объемное сопротивление величина постоянного напряжения быстро падает.

Некоторые типичные характеристики реального пьезоэлектрического датчика давления таковы: материал — кварц; диапазон измерения 0 — 5000

3.2 Входные преобразователи    

Н / см²; нелинейность 1%; чувствительность по заряду 3 пКл.м² / Н; температурный коэффициент чувствительности 10^-3 К^-1; емкость 8 пФ; резонансная частота 20 кГц; сопротивление утечки 10¹² Ом.

Предположим, что выход пьезоэлектрического датчика соединен со входом усилителя напряжения (усилитель с очень большим входным импедансом). Поскольку усилитель обычно располагается на некотором расстоянии от датчика, соединение осуществляется с помощью длинного кабеля. На рис. 3.14(а), где приведена эквивалентная схема, включающая датчик, кабель и входную цепь усилителя, приняты следующие обозначения: С_c - емкость, a R_c - сопротивление утечки между двумя проводниками кабеля; С_і - входная емкость, a R_і - входное сопротивление усилителя напряжения. Входное напряжение усилителя равно V_і поэтому передаточная функция определяется как

В этом выражении R’представляет собой параллельное соединение резисторов R, R_c и R_і  , a С' — параллельное соединение конденсаторов С_c и С_і. На высоких частотах коэффициент передачи становится действительной величиной и равен S_VC/(C + C’). Сигнал ослабляется из-за емкости кабеля и входной емкости. Из приведенного выражения для передаточной функции следует, что нижняя граничная частота f₁ по уровню —3 дБ равна f₁ = 1/2πR’(С + С'). Ниже этой частоты коэффициент передачи уменьшается в 2 раза (на 6 дБ) при понижении частоты на октаву. Поэтому для получения высокой чувствительности и малого значения f₁входной импеданс усилителя должен быть очень большим. Применяя специальный измерительный усилитель (электрометрический усилитель) можно получить входное сопротивление порядка 10¹⁴ Ом и входную емкость около 1 пФ

Проблем, связанных с емкостью кабеля и входным импедансом усилителя, можно избежать, применяя в качестве меры силы величину заряда, а че напряжение. Выходной сигнал датчика поступает в этом случае на вход усилителя заряда, схематически изображенного на рис. 3.14(Ь) Если коэффициент усиления A₀ используемого операционного усилителя очень велик, то входное напряжение будет пренебрежимо малым при конечном выходном

Рис. 3.14 (а) Подключение усилителя напряжения к пьезоэлектрическому датчику силы, с помощью кабеля (b) Схема усилителя заряда