1. Метрологічні характеристики
Розрахунок класу точності
Клас точності є узагальненою метрологічної характеристикою засобів вимірювань (СІ) і визначається межами допустимих похибок, а також іншими властивостями СІ, що впливають на точність вимірювань. Клас точності вказується в супровідній документації на СІ або на шкалі відлікового пристрою у вигляді позначення, що відповідає формі вираження меж допустимої основної похибки за ГОСТ 8.401-80.
Вихідні дані:
- Верхня межа вимірювань.
Бажаний значення вимірюваної величини x має відповідати приблизно 0.75 від верхньої межі вимірювань:
Межа допустимих основних похибок п'єзоелектричних перетворювачів візьмемо з таблиці (ГОСТ 3044-74)
Де доданок є адитивною складової, а доданок
- Мультиплікативної.
b =
Розрахунок чисельного значення класу точності зводиться до визначення постійних c і d з урахуванням, що 2 <c / d <20, с і d знайдемо за формулами:
;
,
де c і d - позитивні числа.
Значення с для приладів змінного струму повинен перебувати в межах 0,01 <c <0.1.
Отримане значення с = 0.04 входить в задані межі.
Клас точності:
Межі допустимої відносної основної похибки встановлюють за формулою:
Абсолютна похибка
Визначення вихідного коду і його параметрів
Вихідний код і його параметри вибираються за ГОСТ 26.014-81 «ЄССПІ. Засоби вимірювань та автоматизації. Сигнали електричні кодовані вхідні і вихідні ».
На вхід аналого-цифрового перетворювача (АЦП) з виходу аналогового каналу надходить сигнал S з деякою погрішністю; АЦП за допомогою квантування аналогового сигналу вносить додаткову погрішність. У результаті величина Z на виході АЦП буде мати деяку похибка. При аддитивном характері складових похибки і результуюча похибка буде визначатися як:
Сумарне середнє квадратичне відхилення (с.к.о.) похибки перетворення:
, (1)
де: - с.к.о. похибки аналогового сигналу;
- С.к.о. похибки АЦП за допомогою квантування;
Δ S - крок квантування, якому відповідає похибка
Тут, т.к.для вхідного сигналу прийнятий закон рівномірного розподілу.
Вплив складової, розподіленої рівномірно, приводить в їх композиції до зменшення довірчих інтервалів при заданій довірчій ймовірності в порівнянні з нормальним законом. Якщо відношення 0.5ΔS / δ s = 0.1 ... 1.0, то довірчий інтервал ± 1.7 δ z має довірчу ймовірність P = 0.98. При відношенні 0.5ΔS / δ s <0.1 при Р = 0.99 довірчий інтервал буде дорівнює ± 2 δ z.
При відсутності систематичних похибок і прийнятті допущення про те, що випадкова похибка розподілена нормально, можна встановити залежність між приведеною похибкою γ і с.к.о. цієї похибки.
За цих умов 95% значень випадкової похибки знаходиться в межах від-2δ s до +2 δ s.
Приймемо
,
звідки
Якщо с.к.о. похибки від квантування прийняти рівним δ s, то
сумарне с.к.о. в результаті квантування згідно (1) збільшується на 41% в порівнянні c δ s.
Якщо прийняти ΔS = δ s, сумарне с.к.о. збільшується лише на 4%, тобто в цьому випадку квантування майже не змінить с.к.о. сумарної похибки. Цьому співвідношенню приблизно відповідає мінімально допустиме відношення с / d = 2, встановлене ГОСТ 14014-82 і відповідне рівності адитивної і мультиплікативної складових похибок.
Крок квантування (ціна одиниці молодшого розряду коду)
де;
;
Номінальне число щаблів квантування (роздільна здатність)
Число розрядів коду
Вид коду: двійковий нормальний
Функція перетворення (статична функція перетворення) - функціональна залежність між інформативними параметрами вихідної та вхідної сигналів.
При визначенні функції перетворення враховуємо, що аналоговий канал представляє собою лінійну ланцюг прямого перетворення послідовного типу.
Номінальна функція перетворення:
де , К1, К2, КЗ, К4 - коефіцієнти перетворення окремих ланок ланцюга
Таким чином, номінальна функція перетворення має вигляд:
U = k * K
* K
(T),
де U-напруга;
k1 - коефіцієнт перетворення термопари;
k2 - коефіцієнт перетворення підсилювача;
k3 - коефіцієнт перетворення фільтру;
Т - температура.
Чутливість СІ - приріст інформативного параметра вихідного сигналу Δy СІ до викликав його приросту інформативного параметра вхідного сигналу Δx:
При лінійної статичної характеристиці перетворення чутливість постійна і дорівнює:
де
де мВ-термоЕРС термоелектричних термометрів типу ТХА стандартної градуювання ХА при температурі вільних кінців 0 º С ГОСТ 3044-74
Фільтрованої посилений сигнал не змінюється по частоті.
Поріг чутливості - найменше зміна вхідної величини, що виявляється за допомогою даного СІ. Значення порогу чутливості аналогового каналу, включеного до цифрового СІ не повинно бути менше ціни поділки молодшого розряду вихідного коду, тому приймаємо його рівним 0.01 кг.
2 Динамічні характеристики
Динамічні характеристики - характеристики інерційних властивостей СІ, що визначають залежність вихідного сигналу від мінливих у часі величин: параметрів вхідного сигналу, зовнішніх впливають величин, навантаження.
Загальна передавальна функція має вигляд:
К (р) заг = k (Р) * k
(Р) * k
(Р).
де;
k1 (р) - передатна функція термопари;
k2 (р) - передатна функція підсилювача;
k3 (р) - передавальна функція фільтра
р - оператор Лапласа.
Коефіцієнт демпфування β для виключення можливості резонансних явищ не повинен перевищувати 0.8
Перехідна характеристика для аналогового каналу, за своїми динамічним свойствамімеет вигляд:
(2)
де τ-постійна часу датчика;
ω 0 - власна частота ланки;
Значення вихідного сигналу h (t) вибираємо з умови, що воно повинно відрізнятися від сталого значення не більше, ніж на встановлене ТЗ значення δ доп = 0.04.
Час встановлення показів визначаємо з тимчасової характеристиці h (t), вирішуючи рівняння (2) щодо t:
Вихідні дані
h (t) = 0.04 - тимчасова перехідна характеристика;
τ =
Кобщ = 0.00625
Підставляючи числові дані в рівняння (2), вирішуємо його відносно
часу встановлення показань
3. Експлуатаційні характеристики
Експлуатаційні характеристики: кліматичні і механічні дії, встановлюються для нормальних або робочих умов застосування та граничних умов транспортування (ГОСТ 14014-82).
Нормальні умови застосування характеризуються сукупністю значень або областей значень впливають величин, які приймаються за нормальні. Встановлюються по ГОСТ 22261 - 82 і ГОСТ 8.395 - 80.
Робочі умови застосування - сукупність значень впливає величини, які не виходять за межі робочої області значень, що нормують додаткову похибку або зміна свідчень СІ. Встановлюються по ГОСТ 22261 - 82.
4. Показники надійності
Показниками надійності для розробленого цифрового пристрою є безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність.
В якості характеристики безвідмовності встановлена напрацювання на відмову, рівна 1500 годин.
В якості характеристики довговічності прийнятий середній термін служби до списання, який повинен бути не менше 8 років.
Ремонтопридатність характеризується середнім часом відновлення, яке вибираємо не менше 2 годин.
5. Вимоги безпеки
Вимоги з електробезпеки згідно з ГОСТ 12.2.097-83.
Вимоги до основних елементів конструкції, органам управління, засобів захисту, безпеки ремонту, монтажу, зберігання за ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ 14014-82, ГОСТ 22251-76.
6. Показники перешкодозахищеності
Показники перешкодозахищеності, засоби та методи повірки: встановлено за ГОСТ 1014-82.
Основна схема типової контрольно-вимірювальної системи
У термінах електроніки вимірювальний перетворювач визначається зазвичай як прилад, що перетворює неелектричних фізичних величин (звану вимірюваної фізичної величиною) в електричний сигнал, або навпаки. Є, звичайно, і винятки з цього правила.
Звідси випливає, що вимірювальні перетворювачі використовуються в електронних системах, тобто в технічних пристроях з електричним сигналом, що відображає результат вимірювань або спостережень. З іншого боку, вимірювальний перетворювач може бути використаний на виході системи, щоб, скажімо, генерувати механічний рух в залежності від електричного керуючого сигналу. Прикладом реалізації перетворювачів є довідкова система, в якій мікрофон (вхідний перетворювач) перетворює звук (вимірювану фізичну величину) в електричний сигнал. Останній посилюється, а потім надходить на гучномовець (вихідний перетворювач), що відтворює звук істотно більш гучний, ніж той, який сприймається мікрофоном.
Досить часто вимірювана величина згідно з її визначенням просто вимірюється електронною системою, а отриманий результат тільки відображається або запам'ятовується. Однак у деяких випадках вимірювання утворюють вхідний сигнал керуючої схеми, яка служить або для регулювання вимірюваної величини щодо деякого заздалегідь встановленого рівня, або для управління змінною величиною у відповідності з вимірюваною. Незважаючи на очевидне часткове дублювання вимірювальних перетворювачів у цих двох прикладах, прийнято розрізняти ці галузі використання перетворювачів, називаючи їх відповідно контрольно-вимірювальне обладнання і управляє.
На рис. 1.1, а представлені основні складові типової контрольно-вимірювальної системи. Безумовно, не всі вони повинні мати місце в кожному конкретному випадку застосування цих систем. На рис. 1.1.б зображена у спрощеному вигляді типова система управління. По суті, частина системи управління є контрольно-вимірювальною системою. Таким чином, в інтересах цієї доповіді вимірювальні перетворювачі та схеми сполучення їх з іншим обладнанням систем (інтерфейси) слід розглядати з загальних позицій, хоча в подальшому будуть зроблені посилання на конкретні області їх використання.
Розглядаючи рис. 1.1, слід зупинитися на таких головних моментах.
Вимірювана величина - це підлягає вимірюванню фізична величина, наприклад: прискорення, переміщення, сила, витрата, рівень, положення, тиск, механічне напруження, температура, швидкість і т. п. У деяких випадках вимірюваної може бути і електрична, величина, така, як струм, напруга або частота, яка перетвориться в електричний сигнал, придатний для використання в інших частинах системи. При, цьому вимірювальний перетворювач є електричним перетворює елементом.
Вхідний перетворювач, що перетворює вимірювану величину в електричний сигнал, - це прилад, придатний для використання в інших частинах системи. Щоправда, хоча вхідні перетворювачі генерують електричний вихід, існують, проте, серед них і такі, які мають іншу природу вихідного сигналу, наприклад тиск повітря, але таких перетворювачів небагато і вони тут не розглядаються. Перетворювачі з неелектричним виходом застосовуються в якості чутливих елементів вимірювальних перетворювачів або служать для перетворення неелектричного сигналу в електричний. Всі функції перетворювачів є аналоговими, тому в загальному випадку (за деякими винятками) їх сигнали також аналогові.
Лінії зв'язку - це лінії між вхідним перетворювачем і іншою частиною системи. Таких ліній в строгому сенсі може іноді й не бути, якщо, скажімо, вхідний перетворювач розміщується в декількох сантиметрах від іншої частини системи. Якщо ж він розташовується на іншій відстані від системи, то повинні бути зроблені кроки до того, щоб лінії зв'язку не впливали або слабко впливали на ефективність роботи системи.
Там, де в системі є суттєві лінії зв'язку, потрібно один або 6oлee каскадів сполучення сигналів, щоб малий вихідний сигнал вхідного перетворювача посилити, піддати аналого-цифровому перетворенню, фільтрації, модуляції і т. п. Це необхідно для того, щоб інформація, яка видається первинним перетворювачем, не губилася при передачі її до інших частин системи. Такі каскади можуть включати в себе і схеми обробки сигналу, в яких містяться в сигналі вхідного перетворювача дані піддаються цифровій обробці, а результуючий сигнал або результати обчислень можуть бути відображені на дисплеї, запам'ятовані або використані з метою управління. Сполучення сигналів може здійснюватися в кількох точках системи.
У деяких випадках досить складно зробити висновок про те, де у системі аналогові сигнали перетворювачів стають даними. Тому часто неможливо розрізняти каскади формування аналогового сигналу та обробки даних. К. щастя, ця різниця є досить значним.
Відображають або запам'ятовуючі прилади - це прилади, які индицируют поточне значення вимірюваної величини для зручності роботи оператора системи або запам'ятовують відповідну інформацію для її подальшого використання.
У разі керуючої системи (рис. 1.1, б) застосовуються деякі види компарірующіх приладів, призначених для порівняння оброблюваних даних з деякими опорними значеннями і отримання різницевого сигналу.
Працюючий по різницевого сигналу вихідний перетворювач використовується для управління вимірюваною величиною.
Безумовно, наведені на рис. 1.1 приклади систем містять не всі типи каскадів формування та обробки сигналів і не відображають всіх режимів роботи контрольно-вимірювальних і управляючих систем.
Взагалі кажучи, принципи роботи вхідних і вихідних перетворювачів досить прості. Звичайно, режими їх роботи суттєво відрізняються один від одного-вхідні перетворювачі зазвичай використовуються для перетворення змін вимірюваної величини в слабкий електричний сигнал, а вихідні перетворювачі перетворять потужний сигнал в сильне переміщення. З цієї причини слід розглядати два різних типи приладів. У доповіді мова йде про вхідні перетворювачах, які є сприймають елементами електронних систем.
Структурна схема будь-якого перетворювача
Будь-перетворювач можна розглядати як пристрій, структурна схема якого представлена на рис. 1.4. Тут чутливий елемент сприймає змеряемое властивість об'єкта і перетворює його в іншу фізичну величину. Потім перетворюючий елемент перетворить цю фізичну величину в електричний сигнал, значення якого відображає рівень вимірюваного властивості об'єкта. Іншими можливими частинами вимірювального перетворювача є схеми формування сигналу і харчування.
Рис. 1.4. Структурна схема вимірювального перетворювача, що включає в себе елементи, загальні для всіх типів перетворювачів. Показані в пунктирних лініях елементи можуть у деяких перетворювачах відсутнім
Чутливий елемент перетворює вимірювану частина фізичної величини в таку фізичну величину, яка може бути сприйнята і виміряти перетворює елементом. З цієї точки зору і сам чутливий елемент можна розглядати, строго кажучи, як перетворювач.
П'єзоелектричні перетворювачі
Прямий п'єзоелектричний ефект.
У кристалічних діелектриках різному заряджені іони розташовуються в певному порядку, утворюючи кристалічну решітку. Оскільки різнойменно заряджені іони чергуються і розташовані так, що їх заряди взаємно компенсуються, в цілому кристал електрично нейтральний. Електрична структура кристала, симетричного відносно осі або площині, схематично показана на малюнку 2.1.
Рисунок 2.1 - Електрична структура кристала діелектрика, симетричного відносно осі (площини)
У напрямку осі X іони різних знаків чергуються і взаємно компенсують свої заряди. При дії на кристал сили FХ в напрямку X кристалічна решітка деформується, відстані між позитивними і негативними іонами змінюються, і кристал електризується в цьому напрямку. На його гранях, перпендикулярних осі X, з'являється заряд:
q = d11Fx (2.1)
пропорційний силі Fx. Коефіцієнт d11, що залежить від речовини і його стану, називається п'єзоелектричним модулем. Індекси при коефіцієнті d визначаються орієнтацією сили і грані, на якій з'являється заряд, щодо кристалічних осей. При зміні орієнтації п'єзоелектричний модуль змінюється. Електризація кристала під дією зовнішніх сил називається прямим п'єзоефект. Речовини, що володіють п'єзоефект, називаються п'єзоелектриків. Для виготовлення вимірювальних перетворювачів найбільше застосування знайшли природні кристали кварцу і штучні п'єзоелектричні матеріали - п'єзокераміки.
Кварц (SiO2). Призматична частина кристала кварцу і розташування кристалічних осей показані на малюнку 2.2.
Х-електрична вісь; V-механічна вісь; 2 - оптична вісь
Малюнок 2.2 - Кристал кварт
Вісь X - електрична, вісь Y - механічна, вісь Z - оптична. Для використання у вимірювальних перетворювачах з кристала вирізається платівка. При дії на платівку сил уздовж осей X чи Y відбувається поляризація кристала. На гранях, перпендикулярних осі X, з'являються заряди:
q = d11 Fx або q = d11 (Qx-Qy) Fy (2.2)
де Fx і Fy - відповідні сили; Qx і Qy площі граней, перпендикулярних осях X і Y; d11 = d12 = 2,31 * 10-12 К / Н - п'єзоелектричні модулі.Вознікновеніе заряду під дією сили Fx називається поздовжнім п'єзоефект, виникнення заряду під дією Fy-поперечним п'єзоефект. Дія сили Fz уздовж осі Z не викликає ніяких електричних зарядів.
Е п'єзо-ЕРС на електродах пьезоелемента; З-власна ємність пьезоелемента; С1-сумарна ємність кабелю я входу підсилювача; R-вхідний опір підсилювача
Малюнок 2.3 - Спрощена еквівалентна схема п'єзоелектричного перетворювача, поєднаного з вольтметром
Кварцова пластинка має високу міцність. Допустимі напруги можуть доходити до (0,7 - 1) 108 Н/м2, що дозволяє прикладати до неї великі вимірювані сили. Вона має великий модуль пружності, що обумовлює її високу жорсткість і дуже мале власне внутрішнє тертя. Остання обставина визначає високу добротність виготовлених з кварцу платівок. Кварцові платівки використовуються для виготовлення перетворювачів, що вимірюють тиск і силу.
Кварц - матеріал з високою твердістю, він важко обробляється і може застосовуватися для виготовлення платівок лише простої форми.
П'єзоелектричний модуль d практично постійний до температури 200 ° С, а потім із збільшенням температури трохи зменшується. Гранична робоча температура становить 600 ° С. При температурі 573 ° С (температура Кюрі) кварц втрачає п'єзоелектричні властивості. Відносна діелектрична проникність дорівнює 4,5 і дещо збільшується зі збільшенням температури. Питомий об'ємний опір кварцу перевищує 1012 Ом.
Електричні і механічні властивості кварцу мають високу стабільність. За 10 років зміна характеристик не перевершує 0.05%.
П'єзоелектрична кераміка. Пьезокерамика має доменне будова, причому домени поляризовані. При відсутності зовнішнього електричного поля поляризація окремих доменів має хаотичний напрямок, і на поверхні наготовленного з п'єзокераміки тіла електричний заряд відсутня. В електричному полі домени орієнтуються в напрямку цього поля, речовина поляризується і на поверхні тіла з'являються заряди. При знятті поля домени зберігають свою орієнтацію, речовина залишається поляризованим, але поверхневий заряд з плином часу стікає. Якщо до тіла, виготовленого з п'єзокераміки, після обробки його в електричному полі докласти механічне навантаження, то під її дією домени змінюють свою орієнтацію і змінюється поляризація речовини. Зміна поляризації викликає поява заряду на поверхні тіла. Тіло, виготовлене з поляризованої кераміки, при впливі механічної сили електризується так само, як і природні п'єзоелектричні монокристали.
Типовою п'єзоелектричної керамікою є титанат барію ВаTiO3. Його п'єзоелектричний модуль лежить в межах d31 = (4,35-8,35) 10-11 К / Н; діелектрична проникність - в межах εr - 1100 - 1800; тангенс кута діелектричних втрат, що характеризує внутрішнє питомий опір, - у межах tg α - 0,3 - 3%. Залежність виникає заряду від прикладеної сили має деякі нелінійність і гістерезіc. Властивості п'єзокераміки залежать також від їх технології та поляризующего напруги.
Більшість п'єзокераміки володіє достатньою температурною стабільністю. П'єзоелектричні властивості зберігаються аж до температури Кюрі. Для титанату барію вона дорівнює 115 ° С. З плином часу параметри п'єзокераміки мимовільно змінюються. Старіння обумовлюється зміною орієнтації доменів.
Виготовлення перетворювачів з п'єзокераміки значно простіше, ніж з монокристалів. Керамічні вироби робляться за технологією, звичайної для радіокераміческіх виробів (шляхом пресування або лиття під тиском), на кераміку наносяться електроди, до електродів приварюються вивідні дроти. Відмінність полягає в електричній обробці. Для поляризації виріб поміщається в електричне поле напруженістю 105 - 106 В / м.
Принцип дії п'єзоелектричного перетворювача
Дія п'єзоелектричного перетворювача засновано на прямому п'єзоефекті. Зазвичай він є пластинкою, наготовленную з п'єзоелектричного матеріалу, на якій є два ізольованих один від одного електрода.
Залежно від речовини форми перетворювача і орієнтації кристалічних осей вхідний величиною можуть бути як сили, що виробляють деформацію стиснення-розтягування, так і сили, що виробляють деформацію зсуву. Останній вид деформації може використовуватися в перетворювачах, що мають як вхідний величини момент сили.
Вихідний величиною перетворювача є напруга на електродах: E = q / C (2.3)
де q - п'єзоелектричний заряд; С - ємність, утворена електродами.
Підставляючи формулу для обчислення заряду в дану формулу, отримаємо функцію перетворення п'єзоелектричного перетворювача:
E = d F / C (2.4)
Якщо перетворювач має форму плоскої пластини, то функція перетворення:
E = d δ F (εr ε0 Q) (2.5)
де εr - відносна діелектрична проникність п'єзоелектричного речовини, Q - площа електродів; δ - відстань між електродами (товщина пластини).
ЕРС, що виникає на електродах перетворювача, досить значна - одиниці вольт. Однак якщо сила постійна, то виміряти ЕРС важко, оскільки заряд малий і швидко стікає через вхідний опір вольтметра. Якщо ж сила змінна, то утворюється мінлива ЕРС, виміряти яку значно простіше. Якщо при цьому період зміни сили багато менше постійної часу, визначається ємністю перетворювача і опором витоку заряду, то процес витоку не впливає на вихідну напругу перетворювача. При синусоидальном законі зміни сили ЕРС змінюється також синусоидально та вимірювання змінної сили зводиться до вимірювання тимчасової ЕРС або напруги.
Схема включення.
П'єзоелектричний перетворювач є генераторним перетворювачем, який виробляє ЕРС, Для перетворення її в приладі є вторинний перетворювач, в якості якого може служити вольтметр змінного струму, в одиницях вимірюваної величини. Оскільки вольтметр повинен мати великий вхідний опір, використовуються електронні вольтметри.
Спрощена еквівалентна схема п'єзоелектричного перетворювача, сполученого кабелем з вольтметром, представлена на малюнку 2.3а. На цій схемі С - власна ємність перетворювача; С1 - сумарна ємність з'єднувального кабелю, вхідний ємності підсилювача та інших ємностей, шунтуючих вхід підсилювача; R-вхідний опір підсилювача. Опору витоку пьезоелемента і опір витоку кабелю можуть розглядатися на еквівалентній схемі як складові опору R.
Вхідною напругою підсилювача є падіння напруги на опорі R. Якщо на перетворювач діє синусоїдальна сила, то, використовуючи символічний метод, можна визначити комплексну чутливість або комплексний коефіцієнт передачі:
К (jw) = U / E = (C / (C + C1)) (jwτ / (1 + jwτ)) (2.6)
де τ = R (C + C1) - постійна часу.
Модуль чутливості; або просто чутливість, схеми:
S (w) == [C / (C + C1)] [wτ (1 + w2τ2) -1 / 2] (2.7)
Цей вираз показує залежність чутливості від частоти і є частотною характеристикою перетворювача, підключеного до підсилювача. Графік частотної характеристики показаний на малюнку 2.3 б. Частотна характеристика може бути представлена у вигляді двох співмножників:
S (w) = S () Sн (w) (2.8)
Перший з них являє собою чутливість при дуже великих частотах і не залежить від частоти, тому що при w:
S (w) C / (C + C1) (2.9)
Другий співмножник Sн (w) = wτ (1 + w2τ2) -1 / 2 визначає нормовану характеристику. Він показує чутливості при зміні частоти.
З формули для модуля чутливості видно, що S = 0, при w = 0, тобто п'єзоелектричні перетворювачі незастосовні для вимірювання статичних напруг.
Отримані вирази справедливі на середніх і низьких частотах, тобто в тих випадках, коли внутрішній опір пьезоелемента можна замінити еквівалентною ємністю.
П'єзоелемент володіє деякою пружністю і масою і є коливальної системою. Резонансні властивості цієї системи проявляються на високих частотах. Резонанс призводить до підвищення чутливості на високих частотах. При ще більшому збільшенні частоти чутливість падає.
Похибка п'єзоелектричного перетворювача. Робочої областю частот є область, в якій чутливість залишається постійною. Зверху ця область обмежена резонансом пьезоелемента. Знизу вона визначається постійною часу τ.
Для поліпшення частотних властивостей в області нижніх частот потрібно збільшувати τ = R (C + C1). Для посилення вихідної напруги п'єзоелектричного перетворювача застосовують підсилювачі з максимально можливим вхідним опором (не менше 1011 Ом).
Подальше збільшення постійної часу може відбуватися при збільшенні Сl; для цього вхід підсилювача шунтується додатковим конденсатором. Проте включення цього конденсатора зменшує чутливість при великих частотах і вимагає збільшення коефіцієнта посилення підсилювача. У схемі, розглянутої вище, стала часу зазвичай не перевищує 1 с. Використання операційних підсилювачів з зворотними зв'язками дозволяє створювати пристрої, у яких стала часу досягає значень 10-100 с.
Верхня частота робочого діапазону визначається збільшенням чутливості внаслідок механічного резонансу. Вона досить висока. Є перетворювачі з верхньою частотою робочого діапазону 80 кГц.
У вимірювального ланцюга зовнішніми електромагнітними полями може наводитися паразитна ЕРС. Ця змінна ЕРС створює похибка. Для захисту від полів вимірювальна ланцюг екранується і датчик з'єднується з вторинним перетворювачем за допомогою екранованого кабелю. Проте нестабільність параметрів кабелю, наприклад зміна його ємності, обумовлене вигином, викликає зміна чутливості відповідно до формули (2.9) і вносить похибка.
При вигинах кабелю він може розшаровуватися. На розшарованих поверхнях внаслідок тертя утворюються електричні заряди. Переміщення заряджених поверхонь під дією вібрації кахлю призводить до появи деякої змінної ЕРС. Похибка, обумовлена вібрацією кабелю, може бути значно зменшена застосуванням спеціальних антивібраційних кабелів.
Нестабільність вимірювальної ланцюга може бути викликана підвищенням вологості повітря або різкою зміною його температури. При цьому відбувається зволоження ізоляції, що призводить до зменшення опору R в еквівалентній схемі малюнка 2.3а. Зміна R викликає зміна чутливості та додаткову частотну погрішність.
Зміна температури пьезоелемента викликає також зміна його п'єзоелектричного модуля та чутливості. Найбільш стабільним п'єзоелектричним матеріалом є кварц.
Похибка перетворювача може бути викликана також недосконалістю п'єзоелектричних матеріалів: гістерезисом характеристики та її нелінійністю.
Якщо в перетворювачі діють сили, перпендикулярні осі чутливості пьезоелемента, то можлива похибка, обумовлена поперечним п'єзоефект.
Принцип роботи пристрою Перетворювач ПСА-02 являє собою електромеханічний перетворювач, в якому в якості чутливого елемента застосований диск з п'єзокерамічного матеріалу ЦТС-19. Коливання стінки артерії сприймаються Пелота і перетворюються на зміни тиску повітря в порожнині перетворювача, які в свою чергу перетворюються з допомогою пьезоелемента в електричний сигнал. Узгодження чутливого елемента з вторинним приладом з опору виконується за допомогою узгоджувального підсилювача.
Електрична принципова схема перетворювача представлена на малюнку 2.4.
Рисунок 2.4 - Схема електрична принципова перетворювача ПСА-02.
Мікросхема D1 служить для попереднього посилення сигналу чутливого елемента В1 і узгодження його вихідного опору і вторинного приладу. Величина вхідного опору согласующего підсилювача задається значенням опору R1.
Змінний опір R3 визначає коефіцієнт передачі підсилювача. Розетка X1 служить для з'єднання перетворювача з вторинним приладом. Змінний опір R4 служить для балансування схеми підсилювача.