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.
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.
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.
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.
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
-
Примеры современных пьезоэлектрических датчиков - Пьезоэлектрические датчики
1. ПД-4, ПД-6 - пьезоэлектрические датчики пульсации давления В топливном трубопроводе дизельного двигателя. Описание и технические характеристики...
-
Основные принципы составления смет Основой определения базисной цены на изыскательскую продукцию (работы, услуги) является сметный расчет (сводная...
-
Исходные данные для расчета: 1. напряжение на выходе каскада = 2,5 В; 2. сопротивление нагрузки = 250 Ом; 3. нижняя граничная частота =120 Гц; 4....
-
Датчик давления во впускном коллекторе - Датчик давления
Датчик давления во впускном коллекторе является одним из датчиков, используемых в электронной системе управления бензинового двигателя. Данные, которые...
-
Классификация пьезоэлектрических датчиков - Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся...
-
Исследование дифференцирующей и интегрирующей цепей Цель работы Экспериментальное исследование преобразования формы прямоугольных импульсов с помощью...
-
Преобразователь тока в давление сжатого воздуха - Типы преобразователей
Такой преобразователь (рис. 16, а) состоит из рычага 1, преобразователя сопло-заслонка 3--4, сильфона 6, магнитоэлектрического преобразователя 7, а также...
-
Следующим типом интегрирующего АЦП с частотно-импульсным преобразованием, принцип работы которого основан на предварительном преобразовании входного...
-
Датчик частоты вращения коленчатого вала - Датчик давления
1. кронштейн крепления 2. магнитный сердечник 3. задающий диск (диск синхронизации) 4. провод 5. уплотнитель 6. магнит 7. корпус 8. обмотка Датчик...
-
Принцип работы ходовой части, Силы, действующие на колесо - Ходовая часть автобуса Икарус
Подвеска автомобиля включается в работу при проезде неровностей дорожного покрытия, прохождении поворотов и совершении бокового маневра, а также разгоне...
-
Рулевое управление современных автомобилей оснащается специальной дополнительной опцией -- усилителем. Усилитель рулевого управления -- это подсистема,...
-
Лабораторная работа №&;nbsp;3, Цель работы, Краткие теоретические сведения - Оcновы радиоэлектроники
Измерение параметров связанных колебательных контуров при гармоническом воздействии Цель работы Исследование амплитудно-частотной характеристики системы...
-
Выбор датчика вибрации - Система автоматического регулирования гидроакустикой батискафа
Датчики вибрации предназначены для преобразования параметров вибрации в электрический сигнал: широтно-импульсный модулированный сигнал для последующей...
-
Разработать усилитель низкой частоты с параметрами: = 20 Гц; IH= 0,2 A; RВх= 70 кОм; KU= 5000; Расчет усилителя низкой частоты Функциональная схема...
-
Свойства операционного усилителя - Оcновы радиоэлектроники
Операционный усилитель имеет два входа и один выход (рис. 1). Если на входы ОУ подать два напряжения (U+ и U-), то усиливаться будет их разность. Поэтому...
-
В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно "покрывающих" всю земную поверхность). Орбиты ИСЗ вычисляются...
-
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость...
-
Уникальность сенсорной сети WayNet - объединение в одном чипе возможностей: ???наземной и подземной навигации с высокой точностью (до ± 0,5...
-
Земля - неоценимое богатство общества, являющаяся главным средством производства для размещения всех отраслей народного хозяйства. Она является основным...
-
Материалы для изготовления - Пьезоэлектрические датчики
Наиболее перспективным пьезоэлектрическим материалом является пьезокерамика. Возможность использования пьезокерамики в приборостроении и автоматике...
-
Принцип действия гайковерта заключается в следующем. При нажатии на курок пускового устройства сжатый воздух поступает в камеры пневматического двигателя...
-
Механический расходомер воздуха - Датчик давления
Механический расходомер воздуха использовался в системах распределенного впрыска Jetronic, а также объединенных системах впрыска и зажигания. В системе...
-
Шаговый искатель, декадно-шаговый искатель Каждый импульс, поступающий в обмотку вращающего электромагнита, поворачивает храповой полуцилиндр, а вместе с...
-
История развития пьезоэлектричества - Пьезоэлектрические датчики
История развития пьезоэлектричества насчитывает более 120 лет. В 1880 г. Пьер и Жак Кюри обнаружили, что под воздействием силы на поверхности некоторых...
-
Введение - Пьезоэлектрические датчики
У некоторых материалов наблюдается эффект электрической поляризации, изменяющейся при любой механической деформации материла. Когда к небольшому образцу...
-
Экспериментальная установка, Порядок выполнения работы - Оcновы радиоэлектроники
Установка предназначена для изучения характеристик операционного усилителя и его применения в различных радиотехнических устройствах. В данной работе...
-
Как известно, частота автоколебаний в таком генераторе определяется формулой (1), А затухание в частотно-зависимой ветви обратной связи на частоте 0 ....
-
Метрологические характеристики - Преобразователь пьезоэлектрический
3.1 Расчет класса точности Класс точности является обобщенной метрологической характеристикой средств измерений (СИ) и определяется пределами допускаемых...
-
Схема усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющими p-n-переходом и каналом р-типа показана на рисунке 5. Транзистор включен по схеме с...
-
Анализ технического задания, Описание электрической схемы - Особенности работы микроконтроллера
Технические характеристики: Диапазон измерения, мкФ .............................................1.999-103 Погрешность во всем диапазоне, %, не...
-
Согласно варианту 12 исходными данными для определения сил сопротивления движению автомобиля и мощностей на их преодоление являются: тип пожарного...
-
В состав лабораторной установки входят: - аналоговая вычислительная машина МН-10, на лицевой панели которой набрана электронная модель следящей системы;...
-
Преобразователь силы в давление сжатого воздуха - Типы преобразователей
Такой преобразователь состоит из рычага 1, сопла с заслонкой 4, сильфона 6, а также пневматического усилителя мощности 5. Входным сигналом...
-
Составные части операционного усилителя - Оcновы радиоэлектроники
Усилитель постоянного тока (УПТ). УПТ отличается от усилителей переменного тока отсутствием каких-либо емкостей. Рис. 2. Простейший усилитель постоянного...
-
ТНВД предназначены для впрыска топлива через форсунку непосредственно в цилиндр двигателя под высоким давлением 19,6-- 117 МПа (200--1200 кгс/см2). При...
-
Назначение и принципы функционирования электронной почты - Работа с электронной почтой
Электронная почта - это основное средство коммуникаций Internet. Она во многом похожа на обычную почту. С ее помощью письмо - текст, снабженный...
-
Насос (рис. 2.1) предназначен для подачи топлива через форсунку в цилиндры дизеля под высоким давлением в определенном количестве и в строго определенный...
-
Перегонное оборудование делится на напольное и постовое. Напольное оборудование устанавливается непосредственно на пути и предназначено для считывания...
-
Важнейшим этапом проектирования является выбор волоконно-оптической системы передачи и типа оптического кабеля, а также системы электропитания ВОЛС....
-
Короткобазные автомобили самосвалы. Принцип работы подъемного механизма кузова
Самыми распространенными типами специализированного подвижного состава при грузовых автомобильных перевозках навалочных грузов являются...
Принцип работы пьезоэлектрического датчика на примере датчика давления - Пьезоэлектрические датчики