6.4 Электрические схемы

Сигнал на выходе пьезоэлектрического датчика для дальнейшего использования необходимо усилить по мощности. Входной каскад усилителя является нагрузкой датчика и может быть представлен цепью, составленной из двух компонентов: конденсатора и резистора. Датчик с нагрузкой может быть представлен эквивалентной электрической схемой, как на рис. 6.4.

Рис. 6.4

На рис. 6.4 представлены: U_вых –напряжение, создаваемое за счёт пьезоэлектрического эффекта; С -ёмкость датчика; С₁ -ёмкость проводов и входа усилителя; R_вх -входное сопротивление усилителя.

Если силовое воздействие на датчик (6.7) и выходное напряжение датчика (6.8) изменяются по гармоническому закону, то выходное напряжение датчика может быть представлено в комплексной форме:

.

Нагрузка пьезодатчика в комплексной форме имеет вид:

.

Источник напряжения работает на последовательно включенные сопротивление конденсатора С и сопротивление нагрузки Z_н:

.

Напряжение, поступающее на вход усилителя, определяется соотношением

(6.9)

6.5 Чувствительность схемы

Чувствительность датчика по напряжению с учётом нагрузки определим как

(6.10)

В соответствии с (6.10) чувствительность S зависит от частоты ω (рис. 6.5)

Рабочий

диапазон

Рис. 6.5

Из рисунка видно, что при ω = 0 чувствительность S = 0, поэтому датчик не используется для статических измерений, а только для переменных воздействий.

6.6 Погрешности пьезоэлектрических датчиков

Погрешности преобразования возникающие в датчике в основном определяются следующими причинами:

• влияние входного сопротивления усилителя;

• зависимость свойств от внешних условий;

• наличие поперечного пьезоэлектрического эффекта.

6.7 Применение пьезоэлектрических датчиков

6.7.1 Пьезоэлектрические датчики вибрации

Пьезоэлектрические датчики применяют для измерения вибрации промышленного оборудования в различных условиях эксплуатации. На рис. 6.6 приведен внешний вид стандартного промышленного датчика. Он характеризуется высокой прочностью, стабильностью, устойчивостью к длительной нагрузке, работоспособностью в широком диапазоне температур, высокой устойчивостью к радиоактивным излучениям и агрессивным средам.

Датчик применяют для тестирования и функциональной диагностики оборудования, измерения виброускорения и виброскорости элементов конструкций.

Рис. 6.6

Среди отраслей, которые используют пьезоэлектрические датчики, являются:

• машиностроение;

• морские и воздушные суда;

• атомные и тепловые электростанции.

Датчик, показанный на рис. 6.6, способен измерять вибрации со следующими характеристиками:

- Ускорение в диапазоне: 0,01…10000 м/с²

- Диапазон частот: 3…10000 Гц

- Температура окружающей среды: -150 … +200 ⁰C

- Ошибка, при наличии боковых колебаний, не более чем 3%

- Основная погрешность не более 3%

Датчик может быть подключен к преобразовательным устройствам, таким, как усилитель заряда, обеспечивающий нормированный сигнал на низкоомной электрической нагрузке.