Принцип работы пьезоэлектрического датчика на примере датчика давления - Пьезоэлектрические датчики

Рассмотрим работу пьезоэлектрического датчика на примере датчика давления.

На рис. 1 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 пьезоэлектрического датчика силы определяется как

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

пьезоэлектрический датчик давления

Рис. 1. Пьезоэлектрический датчик давления

На рис. 2 показана электрическая эквивалентная схема такого 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.

эквивалентная электрическая схема

Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема

Некоторые типичные характеристики реального пьезоэлектрического датчика давления таковы: материал - кварц; диапазон измерения 0 - 5000 Н/ см2; нелинейность 1%; чувствительность по заряду 3 пКл-см3/ Н; температурный коэффициент чувствительности ; емкость 8 пФ; резонансная частота 20 кГц; сопротивление утечки 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, где приведена эквивалентная схема, включающая датчик, кабель и входную цепь усилителя, приняты следующие обозначения: Ск - емкость, а RК - Сопротивление утечки между двумя проводниками кабеля; Сi - входная емкость, a Ri - входное сопротивление усилителя напряжения.

подключение усилителя напряжения к пьезоэлектрическому датчику силы с помощью кабеля

Рис. 3. Подключение усилителя напряжения к пьезоэлектрическому датчику силы с помощью кабеля

Входное напряжение усилителя равно Vi поэтому передаточная функция определяется как

В этом выражении R' Представляет собой параллельное соединение резисторов R, RК и Ri, а С' - параллельное соединение конденсаторов Ск и Сi. На высоких частотах коэффициент передачи становится действительной величиной и равен SVC/(C + C'). Сигнал ослабляется из-за емкости кабеля и входной емкости. Из приведенного выражения для передаточной функции

Следует, что нижняя граничная частота f, по уровню -3 дБ равна Fi = 1/2лR' (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 f входной 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 не напряжение. Выходной сигнал датчика поступает в этом случае на вход Усилителя заряда, Схематически изображенного на рис. 4.

схема усилителя заряда

Рис. 4. Схема усилителя заряда

Если коэффициент усиления A0 используемого операционного усилителя очень велик, то входное напряжение будет пренебрежимо малым при конечном выходном напряжении Vо. Это означает, что напряжения, приложенные к кабелю и к входному импедансу операционного усилителя, становятся приблизительно равными нулю. Пренебрегая импедансами кабеля и усилителя, видим, что выходной заряд датчика полностью стечет через импеданс, образованный паралелльным соединением Со и Rо. Следовательно, передаточная функция равна:

Если R настолько велико, что wRoCo много больше единицы, то коэффициент передачи будет действительной величиной:

У операционного усилителя всегда имеется небольшой втекающий или вытекающий входной ток (необходимый для обеспечения требуемого режима по постоянному току входных транзисторов усилителя). Поэтому в отсутствие RО усилитель заряда интегрировал бы этот ток до тех пор, пока, наконец, не попал бы в состояние насыщения на выходе. Однако сопротивление резистора RO надо выбирать большим для того, чтобы на низких частотах усилитель заряда работал удовлетворительно. Как следствие, операционный усилитель должен иметь крайне малые входные токи смещения (например, во входном каскаде должны быть применены полевые транзисторы).

Выходное напряжение усилителя заряда VO пропорционально заряду Q, Возникающему на выходе датчика, поскольку VO =-FSQ/C0 =-Q/C. Малое значение выходного импеданса источника напряжения VO Может пригодиться впоследствии в процессе дальнейшей передачи. [1]

Похожие статьи




Принцип работы пьезоэлектрического датчика на примере датчика давления - Пьезоэлектрические датчики

Предыдущая | Следующая