3. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как U= q/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как приращение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае

(3)

где п — количество пластин; К₀ — пьезоэлектрический модуль материала пластины; С_вх — емкость измерительной цепи; С₀ — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной d и площадью s можно определить, как емкость плоскопараллельного конденсатора:

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ = 10^-12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика , гдеF — измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика R₀ и сопротивление измерительной цепи R_BX. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда . При практически реализуемых значениях сопротивления датчика R₀ (десятки и сотни МОм) и его емкости С₀ (десятки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электронные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной цепи до 10¹³ Ом. Для увеличения постоянной времени разряда параллельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измерительных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) ударных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преимущество перед датчиками других типов.

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ