3.4 Расчет основных характеристик нагруженного пьезоэлектрического преобразователя.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Эквивалентная схема преобразователя, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рисунке 5, а, на котором  емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразо­вателя);  емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи;  сопротивление преобразователя с учетом сопротивления изоляции линии относительно земли;  входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 5  Эквивалентные схемы преобразователей

Эквивалентную схему можно упростить согласно рисунку 5, б, где сопротивление и емкость

Выходное напряжение преобразователя с подключенной к нему измерительной цепью составляет При сину­соидальной силе мгновенное значение тока . Таким образом, и

(3)

Как видно из выражения (3), амплитуда напряжения и сдвиг фаз между напряжением и измеряемой силой зависят от частоты:

(4)

и

(5)

Из выражений (4) и (5) следует, что напряжение на входе усилителя не будет зависеть от частоты только при высоких частотах и будет равно

(6)

Как видно из последнего выражения, выходное напряжение преобразователя зависит от емкости входной цепи. Поэтому, если в характеристиках преобразователя указывается его чувствитель­ность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость соответствующая этой чувствительности. В ряде случаев указывается чувствительность по количеству электричества Q/F и собственная емкость преобразователя С₀ или напряжение холостого хода и также собственная емкость преобразователя.

Для расширения частотного диапазона измеряемых величин в сторону низких частот, очевидно, следует увеличивать постоянную времени цепи

Расширение частотного диапазона путем увеличения емкости С_вх легко осуществляет­ся включением параллельно преобразователю конденсато­ров, однако, как видно из формулы (6), это приводит к уменьшению выходного на­пряжения преобразователя.

Увеличение сопротивле­ния R приводит к расшире­нию частотного диапазона без потери чувствительности, однако трудно повысить входное сопротивление усилителя R_вх больше, чем до Ом.

Собственное сопротивление пьезоэлемента определяется удель­ным сопротивлением материала пластин и их поверхностным сопро­тивлением. Первая составляющая, в особенности для кварца ( Ом), как правило, значительно выше второй, поэтому определяющим является поверхностное сопротивление, для повы­шения которого до преобразователь прихо­дится герметизировать.

Для увеличения чувствительности пьезоэлектрического пре­образователя его пьезоэлемент выполняется в виде ряда параллельно соединенных при помощи металлических прокладок пластин. В этом случае чувствительность преобразователя опре­деляется формулой ,

где n  число параллельно соединенных пластин;

C₀ — емкость одной пластины.

Ограничение частотного диапазона пьезоэлектричес­ких преобразователей в области низких частот затрудняет градуи­ровку датчиков статическими силами, это приводит к усложнению градуировочной аппаратуры и весьма существенным погрешностям градуировки. Поэтому большой интерес представляют измеритель­ные цепи, позволяющие измерять заряд без изменения его в течение хотя бы сотен секунд. Для этих целей применяются специальные усилители с емкостной обратной связью, которые фактически являются уси­лителями заряда.