Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

16-10-2018

Инструментальный усилитель улучшает параметры пьезоэлектрического акселерометра

Texas Instruments » INA121, TL081

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.

Инструментальный усилитель улучшает параметры пьезоэлектрического акселерометра
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 VCM 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 ES 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 RG 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 eI 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 eO – 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 2RωCS равно 0.6, что намного меньше, чем 2A +1 = 501, и выходной сигнал датчика ES 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

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Current-mode instrumentation amplifier enhances piezoelectric accelerometer

Цена INA121INA121 на РадиоЛоцман.Цены — от 203 до 812 руб.
Исполнение: SOIC-8. AMP INSTRUMENTATION, SOIC8, 121; Amplifiers, No. of:1; Gain, Bandwidth -3dB:600kHz; Gain, Max:10000; Output Type:Single Ended; Voltage, Supply Min:2.25V; Voltage,...
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
T-electronTexas InstrumentsINA121UA/2K5203 руб.
5 элементTexas InstrumentsINA121Uот 1 306 руб.
ЭлитанTexas InstrumentsINA121UA268 руб.
ПолигонTexas InstrumentsINA121UA TEXAS INSTRUMENTSпо запросу
ЭлектроПласт - ЕкатеринбургTexas InstrumentsINA121Pпо запросу
Все 41 предложений от 29 поставщиков »
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Рекомендуемые публикации по теме:
Схемы  »
Токовое зеркало улучшает параметры ШИМ регулятора
Схемы  »
Улучшает ли аттенюатор динамический диапазон?
Форум  »
Марка и параметры конденсаторов
Форум  »
Параметры галетного переключателя
Форум  »
Обсуждение: Светодиодное освещение улучшает видимость на дорожных развязках Великобритании

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Тепловизор Testo 875-1i
Тепловизор Testo 875-1i
матрица 160x120 пкс, NETD < 50 мК
Цена: от 190 000 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Лазерный дальномер Leica Disto D1
Дальномер Leica Disto D1
Дальность измерения: 0.2 - 40 м
Цена: от 4 999 руб.
Доставка: Россия
Тепловизор Fluke TiX580
Тепловизор Fluke TiX580
Диапазон измеряемых температур: от 20 до +800 °C
Цена: от 1 458 000 руб.
Доставка: Россия
Рейтинг@Mail.ru