4.7.2. Погрешности пьезоэлектрических датчиков

Основными составляющими погрешности являются: 1) погрешность, обусловленная нестабильностью параметров измерительной цепи, в частности емкости С_ВХ; 2) температурная погрешность, обусловленная изменением чувствительности за счет температурного изменения пьезомодуля d, емкости С_Э и размеров пьезоэлемента; 3) погрешность, вызванная чувствительностью к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя; 4) частотная погрешность; 5) погрешность, обусловленная неправильной установкой пластин; 6) погрешность градуировки; 7) погрешность, обусловленная гистерезисом и нелинейностью характеристики пьзоэлектрического материала.

Погрешность пьезоэлектрических преобразователей составляет значение от десятых до сотых долей процента. Например, для кварцевого преобразователя, преобра­зование механического напряжения в электрический заряд осущест­вляется с погрешностью 10^-4 – 10^-6 [15].

Кроме этого, при работе необходимо учитывать так называемый кабельный эффект. При вибрации кабель наводит на вход усилителя ЭДС, возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Для уменьшения этой погрешности применяются специальные антивибрационные кабели.

4.7.3. Измерительные цепи

В качестве измерительных цепей пьезоэлектрических датчиков может использоваться усилитель напряжения с очень большим входным импедансом. Обычно усилитель располагается на некотором расстоянии от датчика и соединяется с ним с помощью кабеля. На рис. 4.33а показан пример измерительной цепи с усилителем напряжения.

а б

Рис. 4.33

Выходное напряжение усилителя

(4.84)

где С_э = С₀ + С_к +С1; R_э – параллельное соединение резисторов R₀, R_К, R3 и R_вх.

Как видно из выражения (4.84), выходное напряжение и чувствительность датчика с усилителем напряжения зависят от емкости кабеля С_к (емкость кабеля может составлять 70–150 пФ на каждый метр длины кабеля). Изменение емкости кабеля при изменении внешних факторов, например температуры и влажности, приводит к погрешности. Для уменьшения влияния емкости кабеля параллельно входу усилителя включается дополнительная, ста­бильная емкость С1, значение которой определяется допустимой по­грешностью чувствительности γ_S = (∆С₀ + ∆С_к)/(С₀ + +С_к + С1). Та­ким образом, входное напряжение усилителя и чувствительность пре­образователя S = U_вх/F при заданной нестабильности емкости опре­деляются допустимой погрешностью.

Важной характеристикой измерительной цепи является постоян­ная времени τ = RC. Учитывая, что в значении сопротивления R_э определяющим, как правило, является сопротив­ление поверхностной утечки пьезоэлектрического преобразователя, значение R_э обычно не превы­шает 10⁹ Ом. Поэтому даже при емкости С = 1000 пФ постоян­ная времени τ ≤ 1 с [19]. Кроме того, на выходной сигнал схемы большое влияние оказывают емкость кабеля и входной импеданс усилителя. Применяя в качестве измерительной цепи усилитель заряда (рис. 4.33б), можно существенно уменьшить влияние указанных факторов.

Если коэффициент усиления k₀ используемого операционного усилителя очень велик, то входное напряжение будет пренебрежимо малым при конечном выходном напряжении U_вых. Пренебрегая импедансами кабеля и усилителя, получим, что выходной заряд датчика полностью стечет через цепь C1, R2. В этом случае выходное напряжение можно выразить формулой [1]

. (4.85)

Данная схема позволяет получить большое значение постоянное времени τ = С1^. R1. Реальные постоянные времени датчиков с усилите­лями заряда составляют 10–100 с, что позволяет проводить квазистатическую гра­дуировку пьезоэлектрических датчиков. К достоинствам данной схемы следует отнести независимость выход­ного напряжения от емкости (С₀ + С_к) и возможность увеличения чувствительности при уменьшении емкости С1, однако применять емкости, меньшие 50–100 пФ, нецелесообразно, так как при этом за­метное влияние начинают оказывать паразитные емкости [15].

Достоинствами пьезоэлектрических датчиков являются: малые габариты, простота конструкции, высокая надежность, возможность измерять быстропеременные процессы, высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Например, для ИП из кварца погрешность преобразования составляет 10^-4– 10^-6.

К недостаткам следует отнести: невозможность измерять статические величины, наличие нелинейности и гистерезиса, трудность градуировки, сложность экранировки и защиты от помех и наводок, необходимость в качественных усилителях.