33. Измерительные цепи пьезоэлектрических преобразователей.

До недавнего времени измерительные цепи пьезодатчиков выполнялись в виде усилителей напряжения с высокоомным входом. Пример такой измерительной цепи показан на рис. 5.8, а. В этой цепи используется неинвертирующий усилитель на основе операционного усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе. Напряжение, поступающее на вход усилителя, равно, (5.10)

выходное напряжение усилителя . (5.11)

Основным недостатком схемы с усилителем напряжения является зависимость выходного напряжения к чувствительности датчика от емкости 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. Емкость пьезокварцевого датчика С₀ весьма стабильна, однако не превышает 5-50 пФ.

Емкость пьезокерамических пластин может достигать 103 пФ, однако значение емкости 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 емкостьС₁, значение которой определяется допустимой погрешностью чувствительности. Таким образом, входное напряжение усилителя и чувствительность преобразователяпри заданной нестабильности емкости определяются допустимой погрешностью.

Так, например, для пьезоэлектрического датчика, состоящего из двух параллельно включенных пластин, при допустимой погрешности чувствительности и нестабильности емкости кабеляпФ максимальная чувствительность составляет, гдепФ;мВ/Н.

Выходное напряжение усилителя увеличивается за счет увеличения его коэффициента усиления , однако, лишь до известных пределов, т.к. с ростом коэффициента усиления усили-теля и уменьшением глубины обратной связи возрастают погрешности усилителя.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная времени . Для измерительной цепи с усилителем напряжения сопротивлениеR определяется параллельно соединенными 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 p-n-переходом; поэтому с высокочувствительными датчиками чаще применяются последние, например транзистор КПЗОЗГ, входное сопротивление которого составляет не менее 10¹¹ Ом.

Сопротивление R₃ стабилизирует уровень выходного напряжения усилителя, определяемый входным током усилителя. Полагая, что входной ток I_вх не превышает 10^-11 А, и допуская уровень постоянного напряжения на выходе усилителя до 1 В, можно определить значение R₃  10¹¹ Ом.

35. Усилители заряда и схема преобразования импеданса.

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 емкости С=1000пФ постоянная времени   1с.

В настоящее время наряду с усилителями напряжения с пьезоэлектрическими датчиками применяются также преобразователи заряда в напряжение, называемые усилителями заряда. Схема усилителя заряда показана на рис. 5.8, б.

Выходное напряжение усилителя заряда определяется формулой

(5.12)

где С_о.с и R_о.с - емкость и сопротивление в цепи обратной связи; k=10⁴10⁵- коэффициент усиления операционного усилителя; R_вх=10¹⁰10¹¹Ом - входное сопротивление усилителя.

В области частот , где,

.

Основным достоинством схемы является независимость выходного напряжения от емкости (С_о + С_к) и возможность увеличения чувствительности при уменьшении емкости С_о.с, однако применять емкости, меньшие 50-100 пФ, нецелесообразно, так как при этом заметное влияние начинают оказывать паразитные емкости. Вторым достоинством схемы является возможность обеспечения больших постоянных времени. Постоянные времени лучших конденсаторов, определяемые емкостью 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 емкости обратной связи С_о.с = 100 пФ приводит к дрейфу по напряжению 100-0,1 мВ/с. При дрейфе 100 мВ/с усилитель выходит из режима через 10-100 с. Резистор обратной связи R_о.с включается для того, чтобы обеспечить режим работы усилителя. Если допускается смещение нуля в пределах 100 мВ, то при I_вх = 10^-11 А сопротивление R_о.с 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 К1, включенный параллельно конденсатору С_о.с (рис. 5.8, б), служит для быстрой установки нулевого начального напряжения на выходе. Замыкая этот ключ, оператор осуществляет разряд конденсатора С_о.с, который при больших значениях 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. КонденсаторС_о.с и резистор R_о.с, как правило, выполняются в виде переключаемых наборов элементов (рис. 5.8, в), чтобы иметь возможность изменять коэффициент усиления усилителя путем 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 рис. 5.4, в образована источником опорного напряжения U_N, резистором R₁, ключом K₂ и конденсатором С_N. При замыкании ключа К₂ на вход усилителя подается опорный заряд . Отношение изменения выходного напряженияопределяет чувствительность усилителя.