Измерительные цепи пьезоэлектрических преобразователей

До недавнего времени измерительные цепи пьезодатчиков выполнялись в виде усилителей напряжения с высокоомным входом. Пример такой измерительной цепи показан на рисунке 6.8 а. В этой цепи используется неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе. Напряжение, поступающее на вход усилителя, равно.

выходное напряжение усилителя

Основным недостатком схемы с усилителем напряжения является зависимость выходного напряжения к чувствительности датчика от ёмкости кабеля С_к (70…150 пФ на каждый метр длины кабеля), которая может существенно изменяться в зависимости от положения кабеля и таких внешних факторов, как температура и влажность. Ёмкость пьезокварцевого датчика С₀ весьма стабильна, однако не превышает 5…50 пФ.

Рис. 6.8. Измерительные цепи пьезоэлектрических преобразователей.

Ёмкость пьезокерамических пластин может достигать 103 пФ, однако значение ёмкости в этом случае менее стабильно, чем для кварцевых пластин, и может изменяться под действием температуры. Для того чтобы уменьшить нестабильность чувствительности, параллельно входу усилителя включается дополнительная стабильная ёмкость С_ь значение которой определяется допустимой погрешностью чувствительности.

Таким образом, входное напряжение усилителя и чувствительность преобразователя S = U_BX / F при заданной нестабильности ёмкости определяются допустимой погрешностью.

Так, например, для пьезоэлектрического датчика, состоящего из двух параллельно включённых пластин, при допустимой погрешности чувствительности y_s = ±1% и нестабильности ёмкости кабеля ДС_К = ±20 пФ максимальная чувствительность составляет.

где С > ДС_К / y_s = 20 / 0,01 = 2000 пФ;

Выходное напряжение усилителя повышается за счёт увеличения его коэффициента усиления к = (1 + R₂ / ЯД, однако лишь до известных пределов, т. к. с ростом коэффициента усиления и уменьшением глубины обратной связи возрастают погрешности усилителя.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная времени т = RC. Для измерительной цепи с усилителем напряжения сопротивление R определяется параллельно соединёнными сопротивлениями изоляции датчика, кабеля, входным сопротивлением усилителя и сопротивлением R₃. Наиболее высокое входное сопротивление (до 10¹³…10¹⁵ Ом) обеспечивают МДП-транзисторы, однако они имеют значительно более высокий уровень шумов, чем полевые транзисторы с р-п-переходом; поэтому с высокочувствительными датчиками чаще применяются последние, входные сопротивления которых составляют не менее 10¹¹ Ом.

Сопротивление R₃ стабилизирует уровень входного напряжения усилителя, определяемый входным током усилителя. Полагая, что входной ток /_вх не превышает 1СН¹ А, и допуская уровень постоянного напряжения на выходе усилителя до 1 В, можно определить значение R₃ ~ 10¹¹ Ом.

Анализ отдельных составляющих сопротивления R показывает, что определяющим сопротивлением является, как правило, сопротивление поверхностной утечки датчика и значение R обычно не превышает 10⁹ Ом. Таким образом, даже при ёмкости С = 1000 пФ постоянная времени т < 1 с.

В настоящее время наряду с усилителями напряжения с пьезоэлектрическими датчиками применяются также преобразователи заряда в напряжение, называемые усилителями заряда. Схема усилителя заряда показана на рисунке 6.8 б.

Выходное напряжение усилителя заряда определяется формулой.

где С_{о с} и R_{o c} — ёмкость и сопротивление в цепи обратной связи; к = = 10⁴…10⁵ — коэффициент усиления операционного усилителя; Я_вх = = 10¹⁰…10^п Ом — входное сопротивление усилителя.

В области частот со «1 / т, где т = R_{o c} • С_{о с},

Основным достоинством схемы является независимость выходного напряжения от ёмкости (С₀ + С_к) и возможность увеличения чувствительности при уменьшении ёмкости С_{0 с}. Однако применять ёмкости, меньшие 50…100 пФ, нецелесообразно, так как при этом заметное влияние начинают оказывать паразитные ёмкости. Вторым достоинством схемы является возможность обеспечения больших постоянных времени. Постоянные времени лучших конденсаторов, определяемые ёмкостью и сопротивлением изоляции конденсаторов, составляют 10⁴…10⁵ с.

Однако реализовать такую постоянную времени трудно из-за наличия входного тока усилителя. Входные токи усилителей лежат в диапазоне 10^-11…10^-14 А; таким образом, дрейф усилителя по заряду составляет 10…10^-2 пКл/с, что при ёмкости обратной связи С_ос = 100 пФ приводит к дрейфу по напряжению 100. .0,1 мВ/c. При дрейфе 100 мВ/с усилитель выходит из режима через 10…100 с. Резистор обратной связи R_oc включается для того, чтобы обеспечить режим работы усилителя. Если допускается смещение нуля в пределах 100 мВ, то при /_вх = 10^_и А сопротивление R_{o c} должно быть не больше 10¹⁰ Ом. Реальные постоянные времени датчиков с усилителями заряда составляют 10… 100 с. Однако уже при таких постоянных времени оказывается возможным проводить квазистатическую градуировку пьезоэлектрических датчиков, что является огромным достоинством измерительной цепи с усилителем заряда.

Ключ Kj, включённый параллельно конденсатору С_{о с} (рис. 6.8 б), служит для быстрой установки нулевого начального напряжения на выходе. Замыкая этот ключ, оператор осуществляет разряд конденсатора С_{о с}, который при больших значениях т = С_{о с}? R_{o c} протекает весьма медленно. Если произвести начальную установку при нагруженном датчике, то тем самым мы как бы сместим нулевой уровень градуировочной характеристики на значение этой нагрузки. Это может оказаться весьма удобным при работе, например, с пьезоэлектрическими весами, когда требуется исключить из общего результата измерения вес тары. Конденсатор С_{о с} и резистор R_{o c}, как правило, выполняются в виде переключаемых наборов элементов (рис. 6.8 в), чтобы иметь возможность изменять коэффициент усиления усилителя путём изменения С и нижнюю границу полосы пропускания изменением R. Чувствительность большинства усилителей заряда лежит в диапазоне 0,1… 10 мВ/пКл, однако известны усилители с чувствительностью 1 В/пКл.

В качестве вспомогательной цепи в усилитель заряда может быть введена цепь проверки чувствительности. Подобная цепь в усилителе по схеме рисунка 6.4 в образована источником опорного напряжения U_N, резистором R_b ключом К₂ и конденсатором C_N. При замыкании ключа К₂ на вход усилителя подаётся опорный заряд q_N = U_N • C_N. Отношение изменения выходного напряжения Д[/_вых / q_N определяет чувствительность усилителя.