9.3. Погрешности пьезоэлектрических ип
Основными составляющими погрешности являются: 1) погрешность, обусловленная нестабильностью параметров измерительной цепи, в частности емкости СВХ; 2) температурная погрешность, обусловленная изменением чувствительности за счет температурного изменения пьезомодуля d, емкости СЭ 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.
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.
9.4. Измерительные цепи пьезоэлектрических ип
Как отмечалось ранее, выходное сопротивление пьезоэлектрического ИП большое, а мощность выходного сигнала мала. Поэтому в качестве измерительных цепей в основном используются различные усилители, отличающиеся высоким входным сопротивлением. На рис 9.4. приведены некоторые из таких схем.
Схемы с усилителем напряжения представлены на рис 9.4 а, б. Схема (рис. 9.4 а) обеспечивает постоянство нагрузки на пьезопреобразователь и усиливает напряжение на его обкладках. АЧХ равномерна в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц [15]. Недостатком схем с усилителями напряжения является зависимость выходного напряжения и чувствительности от емкости кабеля. Для уменьшения погрешности, вызванной изменением чувствительности, параллельно входу усилителя включается дополнительная стабильная емкость С1 (на рис. 9.4 не показана). В этом случае погрешность чувствительности
S = (С0 + СK) (С0 + СK + С1).
П
остоянная
времени для измерительных цепей с
усилителями напряжения обычно не
превышает одной секунды
1 с.
а)
б)
в) г)
Рис. 9.4
Более высокое значение постоянной времени позволяют получить преобразователи заряда в напряжение (усилители заряда). Пример подобной схемы приведен на рис. 9.4 в. Преимуществом данной схемы является возможность существенного расширения АЧХ в область инфранизких частот.
Постоянная времени может достигать нескольких часов [15], что позволяет осуществлять "статическую" градуировку пьезодатчиков. Кроме того, в этой схеме влияние емкости линии СЛ, соединяющей пьезодатчик с усилителем, оказывается незначительным.
Для согласования большого выходного сопротивления пьезопреобразователя с малым входным сопротивлением последующих электронных цепей может использоваться измерительная цепь, приведенная на рис. 9.4 г.
Достоинствами пьезоэлектрических ИП являются: малые габариты, простота конструкции, высокая надежность, возможность измерять бысропеременные 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.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Электрические измерения неэлектрических величин /А.М. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др. - Л.: Энергия, 1975. - 576 с.
2. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 448 с.
3. Алейников А. Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. Датчики (перспективные направления развития). - Новосибирск.: НГТУ, 2001. - 173 с.
4. Спектор С.А. Измерения физических величин. Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.
5. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техники: Учеб. пособие для вузов. - Киев.: Вища школа, 1983.- 455 с.
6. Аналоговые электроизмерительные приборы: Учеб. пособие для вузов / Е.Г. Бишард, Е.А. Киселева, Г.П. Лебедев и др., 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1991 - 415 с.
7. Фефелов Н.П. Введение в измерительную технику: Учеб. пособие для студентов вузов. - Томск.: Томский университет, 1976. - 204 с.
8. Электрические измерения: Учебник для вузов/ Под ред. А.В. Фремке. - Л.: Энергия, 1973. - 424 с.
9. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов / Н. Н. Евтихиев, А. Я. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.
10. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.
11. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы: Учеб. пособие для вузов. - Киев.: Вища шк., 1986. - 504 с.
12. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
13. Ложников В.Я. Резистивные, емкостные измерительные преобразователи: Учеб. пособие.- Новосибирск: НИСИ, 1977. - 80 с.
14. Клаасен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.
15. Кликушин Ю.Н., Кривой Г.С., Чередов А.И. Расчет измерительных цепей на операционных усилителях: Учеб. пособие. - Омск: ОмПИ, 1981.
16. Кончаловский В.Ю. Электрические измерительные преобразователи: Учеб. пособие. - Л.: Энергия, 1967.
17. Ольшевская О.К. Измерительные преобразователи: Учеб. пособие. - Томск, 1973. - 117 с.
18. Харт Х. Введение в измерительную технику.- М.: Мир, 1999.- 388 с.
19. Чередов А.И. Измерительные преобразователи параметров емкост-ных датчиков: Учеб. пособие. - Омск: ОмПИ, 1988. - 80 с.
20. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.