Схема усилителя заряда для пьезодатчиков

Как устроена схема усилителя заряда для пьезодатчиков? В основе лежит операционный усилитель с отрицательной обратной связью через конденсатор $C_f$. Пьезодатчик генерирует электрический заряд $q$, который поступает на инвертирующий вход. Благодаря высокой инвертирующей емкостной связи выходное напряжение зависит от заряда датчика и емкости обратной связи, но не от емкости соединительного кабеля. Традиционная схема такого усилителя содержит также шунтирующий резистор $R_f$ для обеспечения стабильности по постоянному току.

$U_{out} = - \frac{q}{C_f}$

Разбор по случаям

Примеры

Расчёт выходного напряжения. Пусть пьезодатчик выработал заряд $q = 500\text{ pC}$. В цепи обратной связи установлена емкость $C_f = 10\text{ nF}$.

Применяя базовое соотношение, получаем $U_{out} = - \frac{500 \cdot 10^{-12}}{10 \cdot 10^{-9}} = -0{,}05\text{ V}$.

Значение напряжения зависит только от обратной связи. Для инженеров схема усилителя заряда для пьезодатчиков удобна тем, что длина кабеля не искажает результат.

Расчёт нижней граничной частоты. Для измерения динамических процессов выберем резистор обратной связи $R_f = 100\text{ M}\Omega$ и конденсатор $C_f = 1\text{ nF}$.

Граничная частота схемы составит $f_L = \frac{1}{2 \cdot 3{,}14 \cdot 10^8 \cdot 10^{-9}} \approx 1{,}59\text{ Hz}$.

Такая схема позволяет проводить точные измерения в требуемом частотном диапазоне без постоянной составляющей.

Частые ошибки

• Пренебрежение параллельным сопротивлением обратной связи $R_f$, что непременно приводит к дрейфу нуля и быстрому насыщению операционного усилителя.
• Подключение чувствительного пьезодатчика незаэкранированным кабелем, что вызывает сильные сетевые наводки и внешние электрические помехи.
• Использование стандартных керамических конденсаторов с большим током утечки вместо специализированных фторопластовых или пленочных элементов в цепи обратной связи.

Коротко

Подводя итоги, повторим: как устроена эта измерительная цепь? Данная измерительная система представляет собой инвертирующий интегратор на операционном усилителе, который преобразует входной электрический заряд в пропорциональное аналоговое напряжение независимо от паразитной емкости соединительного кабеля.