Пьезоэлектрический датчик как сделать

Обновлено: 09.10.2024

Введение

Анализ имеющегося технического задела, производственных, технологических и метрологических возможностей показал, что предприятие готово поставлять полный спектр услуг по комплектации измерительных испытательных комплексов и диагностических систем.

Варианты этих систем и предлагаются в данной статье. Представлены решения для задач различной сложности, реализованные как на аппаратном, так и на программном уровне, чем теперь можно просто пользоваться.

Для разработчиков систем технического диагностирования правильной выбор датчика и схемы подключения датчика в измерительном канале с множеством обратных связей, являются определяющим для получения достоверных результатов измерения параметров контроля с требуемой погрешностью без учета влияния внешних факторов (температуры окружающей среды, деформации основания, акустического поля и т.д.).

Рассмотренные в статье типовые схемы подключения датчиков к регистрирующей аппаратуре призваны помочь разработчикам систем технического диагностирования решить следующие технические вопросы:

согласование выходного сигнала датчика (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) с входными характеристиками (нагрузкой) регистрирующей аппаратуры;
выбор линии связи для передачи сигналов от датчика к регистрирующей аппаратуре;

минимизация вносимых в соединительную схему шумов, обусловленных электрическими и электромагнитными наводками от источников питания, радиостанций, механических ключей, также всплесками напряжения и тока, возникающих из-за процессов переключений в реактивных цепях;

исключение дополнительных паразитных сигналов, связанных с неправильным подсоединением заземления.

Безусловно, в практике измерения механических величин и построения диагностических систем с пьезоэлектрическими датчиками уже существует множество рекомендаций, примеров и способов сочетаний комплектующих, но к сожалению до настоящего времени нет возможности напрямую подключать пьезоэлектрические датчики к компьютеру.

Данная статья не претендует на универсальность предложенных решений. Цель настоящей статьи – обобщить рекомендации по согласованию пьезоэлектрических датчиков с измерительной аппаратурой.

Рекомендуемые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом

Основным элементом измерительных цепей пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом являются предусилители. Главная задача предусилителей – преобразование высокого выходного импеданса датчика в более низкий, допускающий непосредственное соединение датчика с относительно низкоимпедансной измерительной, анализирующей или регистрирующей аппаратурой (например, осциллографом с сопротивлением по входу Rвх=1 МОм, анализатором спектра с сопротивлением по входу Rвх=100 кОм и т.д.). К другим задачам предусилителей относятся:

согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) используемой аппаратуры;

интегрирование пропорциональных ускорению сигналов пьезоэлектрических датчиков и, следовательно, получение сигналов, пропорциональных скорости или перемещению механических колебаний;

фильтрация обрабатываемых сигналов и, следовательно, исключение ненужных или нежелательных составляющих этих сигналов.

(1)

С учетом присущего современным операционным усилителям большого значения коэффициента усиления (А ? 10 5 ), малой емкости входной цепи (С_вх 20кГц).

Вычисленное значение соответствует длине кабеля 10 000 м при погонной емкости 100пФ/м. Емкость цепи обратной связи С_ос находится в пределах от 100 пФ до 10 нФ, что соответствует коэффициентам преобразования по заряду усилителя от 10 до 0,1 мВ/пКл.

Применение соединительных кабелей большой длины и малых значений коэффициента преобразования по заряду усилителя сопровождается увеличением собственного шума и, следовательно, уменьшением общего отношения сигнала к шуму. Это следует из выражения, определяющего эквивалентный шум по заряду q [2]:

(3)

усилители заряда АР5000, AQ02, AQ07, AQ07-01, АР5220-8, АР5220-16;

усилители заряда дифференциальные АР5001, AQ05, AQ08;

усилители заряда и напряжения АР5020, АР5230-16;

усилители напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии GT200A, GT200A-01, GT400А;

усилители заряда преобразователей акстической эмиссии GT500A, GT500A-01, GT500B.

уменьшать длину участков кабеля, подвергающихся вибрационным или ударным возмущениям;

уменьшать длину участка кабеля, расположенного между последней точкой крепления его на подвижном объекте и первой неподвижной точкой;

производить крепление кабеля на объекте испытаний без натяжения и провисания при помощи хомутов, скоб, мастик и т.д. с шагом 200-300мм и первой точкой крепления, отстоящей на 30-50мм от датчика (2-5мм для АР19);

для преобразователей акустической эмиссии, работающих в частотном диапазоне от 50кГц, использование антивибрационного кабеля не обязательно.

Рис. 1. Вибропреобразователи с зарядовым выходом

Рис. 2. Датчики силы

Рис. 3. Датчики динамического давления

Рис. 4. Преобразователи акустической эмиссии

обычного или дифференциального исполнения датчика;

необходимого коэффициента усиления, возможности изменения коэффициента усиления;

необходимости управления и связи через компьютер;

требований по сертификации в Госреестре и на взрывозащиту.

Пример схем подключения пьезоэлектрических вибропреобразователей, датчиков давления, датчиков силы, преобразователей акустической эмиссии с зарядовым выходом к регистрирующей аппаратуре (например, цифровому осциллографу TDS3034B “Tektronis”, анализатору спектра Siglab “SPECTRA DYNAMIC”, анализатору спектра А17-U2 (А19-U2) “ZETlab”, анализатору спектра высокочастотному А23 “ZETlab”) приведены на рис. 5…16.

АР – АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АP97, АР48, АР49, АР50;

Рис. 5. Пример схемы подключения а) и ее реализация б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом с разъемным соединением и усилителем заряда АР5000

передачу сигнала по двухпроводной линии связи;

подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100м;

снижение влияния переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения;

согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины с параметрами сигналов (в частности, чувствительности) используемой регистрирующей аппаратуры.

Рис. 6. Пример схемы подключения а) и ее реализация б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с усилителем заряда АР5000

электропитание усилителя заряда АР5000, передачу сигнала по двухпроводной линии связи;

согласующее устройство AG02 снижает влияние переходных процессов, возникающих при переключении каналов на результат измерения

подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100м.

Рис. 7. Пример схемы подключения а) и ее реализация б) для трехкомпонентного вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с измерительным усилителем напряжения и заряда АР5200-3.

Трехканальный измерительный усилитель заряда и напряжения АР5200-3 в схеме подключения рис.7 обеспечивает измерение ускорения, в режиме нормирования СКЗ одновременно по трем осям датчика и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов используемой регистрирующей аппаратуры.

Пример измерения СКЗ ускорения измерительным усилителем АР5200-3 при ожидаемом значении ускорения ? ? 50g в частотном диапазоне 1…10000 Гц. Коэффициент преобразования по заряду используемого датчика S=10,3 пКл/g.

Читайте также: