Контрольная работа: Характеристики средств измерений

Модуль чувствительности; или просто чувствительность, схемы:

S(w)==[C/(C+C1)][wτ(1+w2τ2)-1/2] (2.7)

Это выражение показывает зависимость чувствительности от частоты и является частотной характеристикой преобразователя, подключенного к усилителю. График частотной характеристики показан на рисунке 2.3 б. Частотная характеристика может быть представлена в виде двух сомножителей:

S (w) = S() Sн (w) (2.8)

Первый из них представляет собой чувствительность при очень больших частотах и не зависит от частоты, т.к. при w:

S(w) C/(C+C1) (2.9)

Второй сомножитель Sн(w)= wτ(1+w2τ2)-1/2 определяет нормированную характеристику. Он показывает чувствительности при изменении частоты.

Из формулы для модуля чувствительности видно, что S=0, при w=0, т.е. пьезоэлектрические преобразователи неприменимы для измерения статических напряжений.

Полученные выражения справедливы на средних и низких частотах, т.е. в тех случаях, когда внутреннее сопротивление пьезоэлемента можно заменить эквивалентной емкостью.

Пьезоэлемент обладает некоторой упругостью и массой и является колебательной системой. Резонансные свойства этой системы проявляются на высоких частотах. Резонанс приводит к повышению чувствительности на высоких частотах. При еще большем увеличении частоты чувствительность падает.

Погрешность пьезоэлектрического преобразователя. Рабочей областью частот является область, в которой чувствительность остается постоянной. Сверху эта область ограничена резонансом пьезоэлемента. Снизу она определяется постоянной времени τ.

Для улучшения частотных свойств в области нижних частот нужно увеличивать τ=R(C+C1). Для усиления выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя применяют усилители с максимально возможным входным сопротивлением (не менее 1011 Ом).

Дальнейшее увеличение постоянной времени может происходить при увеличении Сl; для этого вход усилителя шунтируется дополнительным конденсатором. Однако включение этого конденсатора уменьшает чувствительность при больших частотах и требует увеличения коэффициента усиления усилителя. В схеме, рассмотренной выше, постоянная времени обычно не превышает 1 с. Использование операционных усилителей с обратными связями позволяет создавать приборы, у которых постоянная времени достигает значений 10-100 с.

Верхняя частота рабочего диапазона определяется увеличением чувствительности вследствие механического резонанса. Она довольно высока. Имеются преобразователи с верхней частотой рабочего диапазона 80 кГц.

В измерительной цепи внешними электромагнитными полями может наводиться паразитная ЭДС. Эта переменная ЭДС создает погрешность. Для защиты от полей измерительная цепь экранируется и датчик соединяется с вторичным преобразователем с помощью экранированного кабеля. Однако нестабильность параметров кабеля, например изменение его емкости, обусловленное изгибом, вызывает изменение чувствительности в соответствии с формулой (2.9) и вносит погрешность.

При изгибах кабеля он может расслаиваться. На расслоенных поверхностях вследствие трения образуются электрические заряды. Перемещение заряженных поверхностей под действием вибрации кафеля приводит к появлению некоторой переменной ЭДС. Погрешность, обусловленная вибрацией кабеля, может быть значительно уменьшена применением специальных антивибрационных кабелей.

Нестабильность измерительной цепи может быть вызвана повышением влажности воздуха или резким изменением его температуры. При этом происходит увлажнение изоляции, что приводит к уменьшению сопротивления R в эквивалентной схеме рисунка 2.3а. Изменение R вызывает изменение чувствительности и дополнительную частотную погрешность.

Изменение температуры пьезоэлемента вызывает также изменение его пьезоэлектрического модуля и чувствительности. Наиболее стабильным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Погрешность преобразователя может быть вызвана также несовершенством пьезоэлектрических материалов: гистерезисом характеристики и ее нелинейностью.

Если в преобразователе действуют силы, перпендикулярные оси чувствительности пьезоэлемента, то возможна погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.

Принцип работы устройства Преобразователь ПСА-02 представляет собой электромеханический преобразователь, в котором в качестве чувствительного элемента применен диск из пьезокерамического материала ЦТС-19. Колебания стенки артерии воспринимаются пелотом и преобразуются в изменения давления воздуха в полости преобразователя, которые в свою очередь преобразуются с помощью пьезоэлемента в электрический сигнал. Согласование чувствительного элемента с вторичным прибором по сопротивлению выполняется с помощью согласующего усилителя.

Электрическая принципиальная схема преобразователя представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Схема электрическая принципиальная преобразователя ПСА-02.

Микросхема D1 служит для предварительного усиления сигнала чувствительного элемента В1 и согласования его выходного сопротивления и вторичного прибора. Величина входного сопротивления согласующего усилителя задается значением сопротивления R1.

Переменное сопротивление R3 определяет коэффициент передачи усилителя. Розетка X1 служит для соединения преобразователя с вторичным прибором. Переменное сопротивление R4 служит для балансировки схемы усилителя.