Инструментальный усилитель улучшает параметры пьезоэлектрического акселерометра

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018

Dave Wuchinich

EDN

Типичный пьезоэлектрический датчик представляет собой диск из керамического материала PZT-5A с металлизированными электродами, нанесенными на обе поверхности. Внешние выводы присоединяются к датчику с помощью электропроводящего эпоксидного клея. Двухсторонний скотч приклеивает сборку к исследуемой конструкции и изолирует датчик от земляных потенциалов. Диск ориентируется в направлении ожидаемого ускорения. При установке пьезоэлектрического диска на контролируемую структуру он служит в качестве простого датчика силы и ускорения, вырабатывая напряжение, прямо пропорциональное силе, действующей параллельно направлению поляризации диска. Емкостное сопротивление пьезоэлектрического диска вносит на низких частотах большое реактивное сопротивление, делающее сам диск и его выводы чувствительными приемниками помех, окружающих электрическое оборудование и приходящих по линиям питания. Удаленное размещение датчика требует экранированного соединительного кабеля, но даже экранирование не обеспечит полностью эффективного подавления синфазных сигналов из-за того, что шумы могут возникать на проводящих поверхностях диска.

Один из способов выделения сигнала датчика основан на использовании инструментального усилителя, усиливающего только потенциал, создаваемый датчиком, и подавляющего синфазные потенциалы шумов, возникающие на обоих выводах датчика.

Типичный пьезоэлектрический дисковый датчик диаметром 3.2 мм и толщиной 0.2 мм имеет емкость порядка 500 пФ. Если измерительное приложение требует динамического отклика на возбуждающий сигнал частотой 10 Гц или ниже, выходное сопротивление датчика имеет порядок десятков мегаом. Проводимость материала диэлектрика печатной платы и окружающая влажность накладывают на входное сопротивление усилителя практическое ограничение приблизительно 10 МОм.

Рисунок 1.	Три усилителя и несколько пассивных компонентов подавляет паразитные шумы, приходящие на пьезоэлектрический акселерометр.

Проектируя печатную плату, необходимо позаботиться об охранных кольцах, а выбранный усилитель должен иметь пикоамперные входные токи смещения. В противном случае емкость датчика и входные токи, идущие через резисторы обратной связи, будут вносить фазовый сдвиг в сигнал, подаваемый на инструментальный усилитель. Для того чтобы исключить необходимость в охранных кольцах и строгих требованиях к изоляции, в схеме на Рисунке 1 используется инструментальный усилитель с обратной связью, измеряющий не напряжение холостого хода датчика, а его ток короткого замыкания. Синфазное напряжение V_CM между датчиком и сигнальной землей возникает из-за проникновения помех от соседних источников через паразитные емкостные связи. Выходной ток датчика I и его напряжение холостого тока E_S связаны следующей формулой:

где

A – коэффициент усиления напряжения IC₁ (Рисунок 1),
R = R₁ = R₂.

Резисторы R₁ и R₂ обеспечивают обратную связь и пути возврата входных токов для инструментального усилителя IC₁ (INA121), а резистор R_G задает коэффициент усиления. Равный 0.5 пА входной ток усилителя INA121 на резисторах обратной связи 10 МОм создает падения напряжения 5 мкВ. При коэффициенте усиления усилителя, равном 500, смещение выходного сигнала микросхемы IC₁ составляет 2.5 мВ. Усилитель IC₂ (TL081) обеспечивает единичное усиление и инверсию сигнала.

Если

то

и входное напряжение e_I усилителя IC₁ обращается в нуль, поскольку входные выводы усилителя действуют как виртуальное короткое замыкание. Суммирование напряжений в контуре, содержащем выходы инструментального и инвертирующего усилителей, два резистора обратной связи и входные выводы измерительного усилителя, разность потенциалов между которыми равна нулю, дает

где e_O – напряжение на выходе IC₁ и на выходе IC₂ (с противоположным знаком).

Выходное напряжение E' интегратора на операционном усилителе IC₃ равно

При использовании компонентов с номиналами, указанными на Рисунке 1, коэффициент усиления каскада на IC₁ составляет 500. Сопротивления резисторов R₁ и R₂ равны 10 МОм, а емкость пьезоэлектрического датчика – 500 пФ. Для наивысшей представляющей интерес частоты 10 Гц произведение 2RωC_S равно 0.6, что намного меньше, чем 2A +1 = 501, и выходной сигнал датчика E_S без фазовых искажений проходит на выход E'. Эта схема может измерять изменения квазистатической силы в частотном диапазоне, ограниченном временем разряда конденсатора C₁.

Материалы по теме