Измерительные цепи. Выходная мощность пьзоэлектрических преобразователей мала, поэтому они всегда используются с усилителями

Выходная мощность пьзоэлектрических преобразователей мала, поэтому они всегда используются с усилителями. Пусть воздействующая сила изменяется по синусоидальному закону:

F = F_msinωt.

Тогда

Q = k F_msinωt = Q_msinωt,

где k – пьезомодуль; Q_m – амплитуда заряда.

От заряда (количества электричества) можно перейти к току:

cos ωt. (3.17)

На рис. 3.19,а показана эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя ПП вместе со входной цепью подключённого к нему усилителя У. Здесь С₀ и R₀ – ёмкость и сопротивление между гранями пьезоэлектрика, С_вх и R_вх – входная ёмкость и входное сопротивление усилителя, а активный элемент ПП представлен источником тока, соответствующего (3.17). Этот ток преобразуется в напряжение u на входе усилителя.

На рис. 3.19,б параллельно соединённые ёмкости и сопротивления объединены:

С = С₀ + С_вх; .

Переходя к комплексной форме изображения синусоидальных величин, можно записать:

; ; ; ; .

Модуль комплексного напряжения

,

где τ = RC; ν (ω) = .

Рис. 3.19. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя вместе со входной цепью усилителя (а) и она же в более простом виде (б).

При ω = 0 имеем ν (ω) = 0 и U = 0, а при (ωτ)² >> 1 ν (ω) → 1 и

U →

Отсюда ясно, что частотный диапазон ограничен снизу, причём нижняя граница f_н зависит от τ: чем больше τ, тем меньше f_н. Вместе с тем ясно, что увеличивать τ путём увеличения ёмкости С (присоединять конденсатор параллельно входу усилителя) невыгодно, т.к. при этом снижается чувствительность преобразователя

.

Увеличения τ без снижения S можно достичь за счёт увеличения R. Сопротивление R₀ практически определяется поверхностным сопротивлением пьезоэлектрика и при герметизации преобразователя обычно составляет 1 – 10 ГОм, поэтому при R_вх << R₀ значение R практически определяется R_вх. Следовательно, для расширения частотного диапазона в сторону низких частот нужно применять усилители с высоким R_вх.

Ограничение со стороны высоких частот связано с механическими резонансными явлениями. Частотная характеристика преобразователя – зависимость чувствительности S от частоты f изменяющейся силы c неизменной амплитудой показана на рис. 3.20. Реальный частотный диапазон может быть, например, от нижней границы f_н = 10 Гц до верхней границы f_в = 10 кГц.

Рис. 3.20. Частотная характеристика пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения переменных сил, давлений, ускорений. Их достоинства – простота конструкций, высокая надёжность. Наиболее широкое применение они нашли для измерения вибрационных ускорений. {3К21}

ВОПРОСЫ:

1. Что представляет собой пьезоэлектрический измерительный преобразователь? Для измерения каких неэлектрических величин он используется?

2. Каков принцип действия пьезоэлектрического измерительного преобразователя?

3. Нарисуйте простейшие схемы включения пьезоэлектрических измерительных преобразователей.