1. Метрологическиехарактеристики
Расчёт классаточности
Классточности является обобщённой метрологической характеристикой средств измерений(СИ) и определяется пределами допускаемых погрешностей, а также другимисвойствами СИ, влияющими на точность измерений. Класс точности указывается всопроводительной документации на СИ или на шкале отсчётного устройства в видеобозначения, соответствующего форме выражения пределов допускаемой основнойпогрешности по ГОСТ 8.401-80.
Исходныеданные:
— верхнийпредел измерений.
/>
Предпочтительноезначение измеряемой величины x должно соответствовать примерно 0.75 от верхнегопредела измерений:
/>
Пределдопустимых основных погрешностей пьезоэлектрических преобразователей возьмем изтаблицы (ГОСТ 3044-74)
/>
Где слагаемое/> является аддитивнойсоставляющей, а слагаемое /> - мультипликативной.
b=/>
Расчётчисленного значения класса точности сводится к определению постоянных c и d сучётом, что 2
/>;
/>,
где c и d –положительные числа.
Значение сдля приборов переменного тока должно находиться в пределах 0.01
Полученноезначение с=0.04 входит в заданные пределы.
Классточности:
/>
Пределыдопускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле:
/>
Абсолютнаяпогрешность
/>
Определениевыходного кода и его параметров
Выходной коди его параметры выбираются по ГОСТ 26.014-81 «ЕССП. Средства измерений иавтоматизации. Сигналы электрические кодированные входные и выходные».
На входаналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выхода аналогового канала поступаетсигнал S с некоторой погрешностью; АЦП за счёт квантования аналогового сигналавносит дополнительную погрешность. В результате величина Z на выходе АЦП будетиметь некоторую погрешность. При аддитивном характере составляющих погрешности />и результирующаяпогрешность будет определяться как:
/>
Суммарноесреднее квадратическое отклонение (с.к.о.) погрешности преобразования:
/>, (1)
/>где: — с.к.о. погрешностианалогового сигнала;
— с.к.о. погрешностиАЦП за счёт квантования;
∆S — шаг квантования, которому соответствует погрешность
Здесь,т.к.для входного сигнала принят закон равномерного распределения.
Влияниесоставляющей, распределённой равномерно, приводит в их композиции к уменьшениюдоверительных интервалов при заданной доверительной вероятности по сравнению снормальным законом. Если отношение 0.5∆S/δs=0.1…1.0, то доверительный интервал ±1.7δz имеет доверительнуювероятность P=0.98. При отношении 0.5∆S/δs
Приотсутствии систематических погрешностей и принятии допущения о том, чтослучайная погрешность распределена нормально, можно установить зависимостьмежду приведённой допускаемой погрешностью γ и с.к.о. этой погрешности.
При этих условиях95% значений случайной погрешности находится в пределах от -2δs до +2δs.
Примем
/>,
откуда
/>
Если с.к.о.погрешности от квантования принять равным δs, то
/>
суммарноес.к.о. в результате квантования согласно (1) увеличивается на 41% по сравнениюc δs.
Если принять ∆S=δs, суммарное с.к.о.увеличивается только на 4%, т.е. в этом случае квантование почти не изменитс.к.о. суммарной погрешности. Этому соотношению примерно соответствуетминимально допустимое отношение с/d=2, установленное ГОСТ 14014-82 исоответствующее равенству аддитивной и мультипликативной составляющихпогрешностей.
Шагквантования (цена единицы младшего разряда кода)
/>
где;
/>;
Номинальноечисло ступеней квантования (разрешающая способность)
/>
Числоразрядов кода
/>
Вид кода:двоичный нормальный
/>
Функцияпреобразования (статическая функция преобразования) — функциональнаязависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов.
Приопределении функции преобразования учитываем, что аналоговый канал представляетсобой линейную цепь прямого преобразования последовательного типа.
Номинальнаяфункция преобразования:
/>
где />, К1, К2, КЗ, К4 — коэффициентыпреобразования отдельных звеньев цепи
Таким образом,номинальная функция преобразования имеет вид:
U=k/>*k/>*k/>(T),
где U-напряжение;
k1 – коэффициентпреобразования термопары;
k2 – коэффициентпреобразования усилителя;
k3 – коэффициентпреобразования фильтра;
Т –температура.
ЧувствительностьСИ – приращение информативного параметра выходного сигнала ∆y СИ квызвавшему его приращению информативного параметра входного сигнала ∆x:
/>
При линейнойстатической характеристике преобразования чувствительность постоянна и равна:
/>
/>где
где />мВ- термоЭДСтермоэлектрических термометров типа ТХА стандартной градуировки ХА притемпературе свободных концов 0ºС ГОСТ 3044-74
/>
Фильтруемыйусиленный сигнал не изменяется по частоте.
/>
Порогчувствительности – наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое спомощью данного СИ. Значение порога чувствительности аналогового канала,предвключённого к цифровому СИ не должно быть меньше цены деления младшегоразряда выходного кода, поэтому принимаем его равным 0.01 кг.
2Динамические характеристики
Динамическиехарактеристики — характеристики инерционных свойств СИ, определяющиезависимость выходного сигнала от меняющихся во времени величин: параметроввходного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.
Общаяпередаточная функция имеет вид:
К (р)общ= k/>(р)*k/>(р)*k/>(р).
где;
k1(р)– передаточная функциятермопары;
k2(р)– передаточная функцияусилителя;
k3(р)– передаточная функцияфильтра
р – операторЛапласа.
Коэффициентдемпфирования β для исключения возможности резонансных явлений не долженпревышать 0.8
Переходнаяхарактеристика для аналогового канала, по своим динамическим свойствамимеетвид:
/> (2)
где τ –постояннаявремени датчика;
ω0 – собственная частотазвена;
Значениевыходного сигнала h(t) выбираем из условия, что оно должно отличаться отустановившегося значения не больше, чем на установленное ТЗ значение δдоп=0.04.
Времяустановления показаний определяем по временной характеристике h(t), решаяуравнение (2) относительно t:
Исходныеданные
h(t)=0.04 –временная переходная характеристика;
τ=/>
Кобщ=0.00625
Подставляячисловые данные в уравнение (2), решаем его относительно
времени установленияпоказаний
/>
/>
3. Эксплуатационныехарактеристики
Эксплуатационныехарактеристики: климатические и механические воздействия, устанавливаются длянормальных или рабочих условий применения и предельных условийтранспортирования (ГОСТ 14014-82).
Нормальныеусловия применения характеризуются совокупностью значений или областей значенийвлияющих величин, принимаемых за нормальные. Устанавливаются по ГОСТ 22261 – 82и ГОСТ 8.395 – 80.
Рабочиеусловия применения – совокупность значений влияющей величины, которые не выходятза пределы рабочей области значений, нормирующих дополнительную погрешность илиизменение показаний СИ. Устанавливаются по ГОСТ 22261 – 82.
4. Показателинадёжности
Показателяминадёжности для разрабатываемого цифрового устройства являются безотказность,долговечность, ремонтопригодность.
В качествехарактеристики безотказности установлена наработку на отказ, равная 1500 часов.
В качествехарактеристики долговечности принят средний срок службы до списания, которыйдолжен быть не менее 8 лет.
Ремонтопригодностьхарактеризуется средним временем восстановления, которое выбираем не менее 2часов.
5. Требованиябезопасности
Требования поэлектробезопасности по ГОСТ 12.2.097-83.
Требования косновным элементам конструкции, органам управления, средствам защиты,безопасности ремонта, монтажа, хранения по ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ 14014-82,ГОСТ 22251-76.
6. Показателипомехозащищённости
Показателипомехозащищённости, средства и методы поверки: установлены по ГОСТ 1014-82.
1 Основнаясхема типичной контрольно-измерительной системы
В терминахэлектроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор,преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемойфизической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, иисключения из этого правила.
Отсюдаследует, что измерительные преобразователи используются в электронных системах,т. е. в технических устройствах с электрическим сигналом, отображающимрезультат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительныйпреобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем,генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющегосигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, вкоторой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемуюфизическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затемпоступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), воспроизводящий звуксущественно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.
Довольночасто измеряемая величина согласно ее определению просто измеряется электроннойсистемой, а полученный результат только отображается или запоминается. Однако внекоторых случаях измерения образуют входной сигнал управляющей схемы, котораяслужит либо для регулирования измеряемой величины относительно некоторогозаранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной всоответствии с измеряемой. Несмотря на очевидное частичное дублированиеизмерительных преобразователей в этих двух примерах, принято различать этиобласти использования преобразователей, называя их соответственноконтрольно-измерительное оборудование и управляющее.
На рис. 1.1,а представлены основные составляющие типичной контрольно-измерительной системы.Безусловно, не все они должны иметь место в каждом конкретном случае примененияэтих систем. На рис. 1.1.б изображена в упрощенном виде типовая системауправления. В сущности, часть системы управления являетсяконтрольно-измерительной системой. Таким образом, в интересах настоящегодоклада измерительные преобразователи и схемы сопряжения их с другимоборудованием систем (интерфейсы) следует рассматривать с общих позиций, хотя вдальнейшем будут сделаны ссылки на конкретные области их использования.
/>
Рассматриваярис. 1.1, следует остановиться на следующих главных моментах.
Измеряемаявеличина — это подлежащая измерению физическая величина, например: ускорение,перемещение, сила, расход, уровень, положение, давление, механическоенапряжение, температура, скорость и т. п. В некоторых случаях измеряемой можетбыть и электрическая, величина, такая, как ток, напряжение или частота, котораяпреобразуется в электрический сигнал, пригодный для использования в другихчастях системы. При, этом измерительный преобразователь является электрическимпреобразующим элементом.
Входнойпреобразователь, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал, —это прибор, пригодный для использования в других частях системы. Правда, хотявходные преобразователи генерируют электрический выход, существуют, однако,среди них и такие, которые имеют другую природу выходного сигнала, напримердавление воздуха, но таких преобразователей немного и они здесь нерассматриваются. Преобразователи с неэлектрическим выходом применяются вкачестве чувствительных элементов измерительных преобразователей или служат дляпревращения неэлектрического сигнала в электрический. Все функциипреобразователей являются аналоговыми, поэтому в общем случае (за некоторымиисключениями) их сигналы также аналоговые.
Линии связи —это линии между входным преобразователем и другой частью системы. Таких линий встрогом смысле может иногда и не быть, если, скажем, входной преобразовательразмещается в нескольких сантиметрах от другой части системы. Если же он располагаетсяна другом расстоянии от системы, то должны быть предприняты шаги к тому, чтобылинии связи не влияли либо слабо влияли на эффективность работы системы.
Там, где всистеме имеются существенные линии связи, требуется один или 6oлee каскадов сопряжениясигналов, чтобы малый выходной сигнал входного преобразователя усилить,подвергнуть аналого-цифровому преобразованию, фильтрации, модуляции и т. п. Этонеобходимо для того, чтобы информация, выдаваемая первичным преобразователем,не терялась при передаче ее к другим частям системы. Такие каскады могутвключать в себя и схемы обработки сигнала, в которых содержащиеся в сигналевходного преобразователя данные подвергаются цифровой обработке, арезультирующий сигнал или результаты вычислений могут быть отображены надисплее, запомнены или использованы в целях управления. Сопряжение сигналовможет осуществляться в нескольких точках системы.
В некоторыхслучаях довольно сложно сделать заключение о том, где в системе аналоговыесигналы преобразователей становятся данными. Поэтому часто невозможно различатькаскады формирования аналогового сигнала и обработки данных. К. счастью, эторазличие является довольно значительным.
Отображающиеили запоминающие приборы — это приборы, которые индицируют текущее значениеизмеряемой величины для удобства работы оператора системы или запоминаютсоответствующую информацию для ее последующего использования.
В случаеуправляющей системы (рис. 1.1, б) применяются некоторые виды компарирующихприборов, предназначенных для сравнения обрабатываемых данных с некоторымиопорными значениями и получения разностного сигнала.
Работающий поразностному сигналу выходной преобразователь используется для управленияизмеряемой величиной.
Безусловно,приведенные на рис. 1.1 примеры систем содержат не все типы каскадовформирования и обработки сигналов и не отражают всех режимов работыконтрольно-измерительных и управляющих систем.
Вообщеговоря, принципы работы входных и выходных преобразователей довольно просты.Конечно, режимы их работы существенно отличаются друг от друга -входные преобразователиобычно используются для преобразования изменений измеряемой величины в слабыйэлектрический сигнал, а выходные преобразователи преобразуют мощный сигнал всильное перемещение. По этой причине следует рассматривать два различных типаприборов. В докладе речь идет о входных преобразователях, которые являютсявоспринимающими элементами электронных систем.
Структурная схема любогопреобразователя
Любойпреобразователь можно рассматривать как устройство, структурная схема которогопредставлена на рис. 1.4. Здесь чувствительный элемент воспринимает змеряемоесвойство объекта и преобразует его в другую физическую величину. Затемпреобразующий элемент преобразует эту физическую величину в электрический сигнал,значение которого отражает уровень измеряемого свойства объекта. Другимивозможными частями измерительного преобразователя являются схемы формированиясигнала и питания.
/>
Рис. 1.4.Структурная схема измерительного преобразователя, включающая в себя элементы,общие для всех типов преобразователей. Показанные в пунктирных линиях элементы могутв некоторых преобразователях отсутствовать
Чувствительныйэлемент преобразует измеряемую часть физической величины в такую физическуювеличину, которая может быть воспринята и измерена преобразующим элементом. Сэтой точки зрения и сам чувствительный элемент можно рассматривать, строгоговоря, как преобразователь.
Пьезоэлектрическиепреобразователи
Прямойпьезоэлектрический эффект.
Вкристаллических диэлектриках различно заряженные ионы располагаются вопределенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Поскольку разноименнозаряженные ионы чередуются и расположены так, что их заряды взаимнокомпенсируются, в целом кристалл электрически нейтрален. Электрическаяструктура кристалла, симметричного относительно оси или плоскости, схематическипоказана на рисунке 2.1.
/>
Рисунок 2.1 — Электрическая структура кристалла диэлектрика, симметричного относительно оси(плоскости)
В направленииоси X ионы различных знаков чередуются и взаимно компенсируют свои заряды. Придействии на кристалл силы Fх в направлении X кристаллическая решеткадеформируется, расстояния между положительными и отрицательными ионамиизменяются, и кристалл электризуется в этом направлении. На его гранях,перпендикулярных оси X, появляется заряд:
q=d11Fx (2.1)
пропорциональныйсиле Fx. Коэффициент d11, зависящий от вещества и его состояния, называетсяпьезоэлектрическим модулем. Индексы при коэффициенте d определяются ориентациейсилы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей.При изменении ориентации пьезоэлектрический модуль изменяется. Электризациякристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Вещества,обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Для изготовления измерительныхпреобразователей наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца иискусственные пьезоэлектрические материалы — пьезокерамики.
Кварц (SiO2).Призматическая часть кристалла кварца и расположение кристаллических осейпоказаны на рисунке 2.2.
/>
Х-электрическая ось; V- механическая ось; 2- оптическая ось
Рисунок 2.2 — Кристалл кварт
Ось X — электрическая, ось Y — механическая, ось Z — оптическая. Для использования визмерительных преобразователях из кристалла вырезается пластинка. При действиина пластинку сил вдоль осей X или Y происходит поляризация кристалла. Награнях, перпендикулярных оси X, появляются заряды:
q = d11 Fxили q = d11(Qx- Qy)Fy (2.2)
где Fx и Fy — соответствующие силы; Qx и Qy площади граней, перпендикулярных осям X и Y;d11=d12=2,31*10-12 К/Н — пьезоэлектрические модули.Возникновение заряда поддействием силы Fx называется продольным пьезоэффектом, возникновение заряда поддействием Fy -поперечным пьезоэффектом. Действие силы Fz вдоль оси Z невызывает никаких электрических зарядов.
/>
Е пьезо-ЭДСна электродах пьезоэлемента; С- собственная емкость пьезоэлемента; С1-суммарная емкость кабеля я входа усилителя; R- входное сопротивление усилителя
Рисунок 2.3 — Упрощенная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя,соединенного с вольтметром
Кварцеваяпластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут доходить до(0,7- 1) 108 Н/м2, что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы.Она имеет большой модуль упругости, что обусловливает ее высокую жесткость иочень малое собственное внутреннее трение. Последнее обстоятельство определяет высокуюдобротность изготовленных из кварца пластинок. Кварцевые пластинки используютсядля изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.
Кварц — материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться дляизготовления пластинок лишь простой формы.
Пьезоэлектрическиймодуль d практически постоянен до температуры 200 °С, а затем с увеличениемтемпературы немного уменьшается. Предельная рабочая температура составляет 600°С. При температуре 573° С (температура Кюри) кварц теряет пьезоэлектрическиесвойства. Относительная диэлектрическая проницаемость равна 4,5 и несколькоувеличивается с увеличением температуры. Удельное объемное сопротивление кварцапревышает 1012 Ом.
Электрическиеи механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменениехарактеристик не превосходит 0.05%.
Пьезоэлектрическаякерамика. Пьезокерамика имеет доменное строение, причем домены поляризованы.При отсутствии внешнего электрического поля поляризация отдельных доменов имеетхаотическое направление, и на поверхности наготовленного из пьезокерамики телаэлектрический заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются внаправлении этого поля, вещество поляризуется и на поверхности тела появляютсязаряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остаетсяполяризованным, но поверхностный заряд с течением времени стекает. Если к телу,изготовленному из пьезокерамики, после обработки его в электрическом полеприложить механическую нагрузку, то под ее действием домены изменяют своюориентацию и изменяется поляризация вещества. Изменение поляризации вызываетпоявление заряда на поверхности тела. Тело, изготовленное из поляризованнойкерамики, при воздействии механической силы электризуется так же, как иестественные пьезоэлектрические монокристаллы.
Типичнойпьезоэлектрической керамикой является титанат бария ВаTiO3. Егопьезоэлектрический модуль лежит в пределах d31=(4,35-8,35)10-11 К/Н;диэлектрическая проницаемость — в пределах εr — 1100 — 1800; тангенс угладиэлектрических потерь, характеризующий внутреннее удельное сопротивление, — впределах tgα- 0,3 — 3 %. Зависимость возникающего заряда от приложеннойсилы имеет некоторые нелинейность и гистерезиc. Свойства пьезокерамики зависяттакже от их технологии и поляризующего напряжения.
Большинствопьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью.Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Длятитаната бария она равна 115°С. С течением времени параметры пьезокерамикисамопроизвольно изменяются. Старение обусловливается изменением ориентациидоменов.
Изготовлениепреобразователей из пьезокерамики значительно проще, чем из монокристаллов.Керамические изделия делаются по технологии, обычной для радиокерамическихизделий (путем прессования или литья под давлением), на керамику наносятсяэлектроды, к электродам привариваются выводные провода. Отличие заключается вэлектрической обработке. Для поляризации изделие помещается в электрическоеполе напряженностью 105 — 106 В/м.
Принципдействия пьезоэлектрического преобразователя
Действиепьезоэлектрического преобразователя основано на прямом пьезоэффекте. Обычно онпредставляет собой пластинку, наготовленную из пьезоэлектрического материала,на которой имеются два изолированных друг от друга электрода.
В зависимостиот вещества формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входнойвеличиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так исилы, производящие деформацию сдвига. Последний вид деформации может использоватьсяв преобразователях, имеющих в качестве входной величины момент силы.
Выходнойвеличиной преобразователя является напряжение на электродах: E = q / C (2.3)
где q — пьезоэлектрический заряд; С — емкость, образованная электродами.
Подставляяформулу для вычисления заряда в данную формулу, получим функцию преобразованияпьезоэлектрического преобразователя:
E=d F / C (2.4)
Еслипреобразователь имеет форму плоской пластины, то функция преобразования:
E = d δF(εr ε0 Q) (2.5)
где εr — относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрического вещества; Q — площадь электродов; δ — расстояние между электродами (толщина пластины).
ЭДС,возникающая на электродах преобразователя, довольно значительна — единицывольт. Однако если сила постоянна, то измерить ЭДС трудно, поскольку заряд мали быстро стекает через входное сопротивление вольтметра. Если же силапеременна, то образуется переменная ЭДС, измерить которую значительно проще.Если при этом период изменения силы много меньше постоянной времени, определяемойемкостью преобразователя и сопротивлением утечки заряда, то процесс утечки невлияет на выходное напряжение преобразователя. При синусоидальном законеизменения силы ЭДС изменяется также синусоидально и измерение переменной силысводится к измерению временной ЭДС или напряжения.
Схемавключения.
Пьезоэлектрическийпреобразователь является генераторным преобразователем, вырабатывающим ЭДС, Дляпреобразования её в приборе имеется вторичный преобразователь, в качествекоторого может служить вольтметр переменного тока, проградуированный в единицахизмеряемой величины. Поскольку вольтметр должен иметь большое входноесопротивление, используются электронные вольтметры.
Упрощеннаяэквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя, соединенного кабелем свольтметром, представлена на рисунке 2.3а. На этой схеме С — собственнаяемкость преобразователя; С1 — суммарная емкость соединительного кабеля, входнойемкости усилителя и других емкостей, шунтирующих вход усилителя; R -входноесопротивление усилителя. Сопротивления утечки пьезоэлемента и сопротивлениеутечки кабеля могут рассматриваться на эквивалентной схеме как составляющиесопротивления R.
Входнымнапряжением усилителя является падение напряжения на сопротивлении R. Если напреобразователь действует синусоидальная сила, то, используя символическийметод, можно определить комплексную чувствительность или комплексныйкоэффициент передачи:
К(jw)=U/E=(C/(C+C1))(jwτ/(1+jwτ)) (2.6)
гдеτ=R(C+C1) — постоянная времени.
Модульчувствительности; или просто чувствительность, схемы:
S(w)==[C/(C+C1)][wτ(1+w2τ2)-1/2](2.7)
Это выражениепоказывает зависимость чувствительности от частоты и является частотнойхарактеристикой преобразователя, подключенного к усилителю. График частотнойхарактеристики показан на рисунке 2.3 б. Частотная характеристика может бытьпредставлена в виде двух сомножителей:
S (w) = S()Sн (w) (2.8)
Первый из нихпредставляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит отчастоты, т.к. при w:
S(w) C/(C+C1) (2.9)
Второйсомножитель Sн(w)= wτ(1+w2τ2)-1/2 определяет нормированнуюхарактеристику. Он показывает чувствительности при изменении частоты.
Из формулыдля модуля чувствительности видно, что S=0, при w=0, т.е. пьезоэлектрическиепреобразователи неприменимы для измерения статических напряжений.
Полученныевыражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когдавнутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.
Пьезоэлементобладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой.Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонансприводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большемувеличении частоты чувствительность падает.
Погрешностьпьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область,в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограниченарезонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени τ.
Для улучшениячастотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать τ=R(C+C1). Дляусиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяютусилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 1011 Ом).
Дальнейшееувеличение постоянной времени может происходить при увеличении Сl; для этоговход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этогоконденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах и требуетувеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постояннаявремени обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей собратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная временидостигает значений 10-100 с.
Верхняячастота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствиемеханического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхнейчастотой рабочего диапазона 80 кГц.
Визмерительной цепи внешними электромагнитными полями может наводитьсяпаразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полейизмерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичнымпреобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильностьпараметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом,вызывает изменение чувствительности в соответствии с формулой (2.9) и вноситпогрешность.
При изгибахкабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие тренияобразуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей поддействием вибрации кафеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС.Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшенаприменением специальных антивибрационных кабелей.
Нестабильностьизмерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резкимизменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, чтоприводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме рисунка 2.3а.Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотнуюпогрешность.
Изменениетемпературы пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрическогомодуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материаломявляется кварц.
Погрешностьпреобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрическихматериалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.
Если впреобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительностипьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.
Принципработы устройства Преобразователь ПСА-02 представляет собой электромеханическийпреобразователь, в котором в качестве чувствительного элемента применен диск изпьезокерамического материала ЦТС-19. Колебания стенки артерии воспринимаютсяпелотом и преобразуются в изменения давления воздуха в полости преобразователя,которые в свою очередь преобразуются с помощью пьезоэлемента в электрическийсигнал. Согласование чувствительного элемента с вторичным прибором посопротивлению выполняется с помощью согласующего усилителя.
Электрическаяпринципиальная схема преобразователя представлена на рисунке 2.4.
/>
Рисунок 2.4 –Схема электрическая принципиальная преобразователя ПСА-02.
Микросхема D1служит для предварительного усиления сигнала чувствительного элемента В1 исогласования его выходного сопротивления и вторичного прибора. Величинавходного сопротивления согласующего усилителя задается значением сопротивленияR1.
Переменноесопротивление R3 определяет коэффициент передачи усилителя. Розетка X1 служитдля соединения преобразователя с вторичным прибором. Переменное сопротивлениеR4 служит для балансировки схемы усилителя.