Об оптимальном сопротивлении нагрузки пьезоэлементов датчиков тонов Короткова

В традиционном случае пьезоэлементы датчиков нагружают на усилитель с большим входным сопротивлением, причём чем больше это сопротивление, тем ниже нижняя рабочая частота датчика. Последнее обстоятельство, тем не менее, является, скорее всего, неким стереотипом и данью традиции, чем технической необходимостью. Действительно, сигналом, пропорциональным звуковому давлению (а следовательно, и ТК), является ток, отдаваемый пьезоэлементом. Заряд же и напряжение являются интегралом от этого тока, поэтому пьезоэлектрические ДТК целесообразно нагружать на усилитель тока, что позволяет более точно определять момент появления ТК, т. е. повысить точность измерения артериального давления.

Но даже нагружая пьезодатчик ТК на усилители напряжения, вовсе не обязательно стремиться к очень высоким входным сопротивлениям. Суть этого замечания заключается в том, что спектр сигналов пульса и ТК существенно отличается, поэтому, изменяя R_BX, можно улучшить соотношение сигнал ТК/сигнал пульса, т. е. с большей точностью определять моменты появления и прекращения ТК, а следовательно, повысить точность измерения АД.

На рисунке 6.37 показаны амплитудно-частотные характеристики ДТК для различных значений входного сопротивления усилителя, откуда видно, что, изменяя R_liX, можно улучшить соотношение сигнал ТК/сигнал пульса.

На рисунке 6.38 показаны зависимости относительной чувствительности S_oth на частоте 40 Гц от отношения реактивного сопротивления пьезоэлемента Х_п = 1 / о) С_П также на частоте 40 Гц к входному сопротивлению усилителя R_bx для различных диаметров пьезоэлемента d_n(диметр металлической мембраны d_M = 37 мм).

Рис. 6.37. Амплитудно-частотные характеристики датчика для различных значений входного сопротивления усилителя.

Рис. 6.38. Зависимость относительной чувствительности S_oth на частоте 40 Гц и отношения 1/_тк/ U_n по отношению Х_п/ /?_вхдля пьезоэлементов различных диаметров Как видно из рисунка 6.38, с уменьшением входного сопротивления усилителя (т. е. увеличением Х_п / К_вх) чувствительность уменьшается. Измерения проводились (рис. 6.23) при звуковом давлении 10 Па.

На этом рисунке показана также зависимость отношения сигналов ТК U_TK к сигналам пульса U_n также от входного сопротивления усилителя Х_п / Я_вх для пьезоэлементов различных диаметров. Как видно из графика, сначала с увеличением Х_п / R_BX отношение U_TK / U_n растёт, а затем приХ_п / Я_вх > 3,5 начинает уменьшаться.

На рисунке 6.39 показана зависимость выходного напряжения датчика U от отношения Х_п / R_BX. На этом же рисунке приведён график зависимости/_ср = 1 / 2лК_вхС_п от отношения Х_п / R_BX.

Рис. 6.39. Зависимость выходного напряжения (У датчика и частоты среза.

f_cp от отношения Х_п / /?_вх

Анализ графиков на рисунке 6.38 и 6.39 показывает, что оптимальным следует считать соотношение 1 < Z_n / R_BX <3,5. Этим значениям Z_n / R_BX соответствует частота среза 40…140 Гц. Пользуясь выражениями / = ½я • R_BXC_n и Z = ½л/С_п, нетрудно для/_ср = 40…140 Гц получить соотношение для определения требуемого входного сопротивления R_BX в зависимости от ёмкости пьезоэлемента С_п:

Измерения проводились с пьезоэлементами диаметром 10,20 и 30 мм (d_n / d_M = 0,27; 0,54 и 0,81 соответственно). Ёмкость пьезоэлемента 0 10 мм — 2730 пФ (Х_п = 1,45 МОм на/= 40 Гц), 0 20 мм — 12 000 пФ (Х_п = 332 кОм), 0 30 мм — 3000 пФ (Х_п = 133 кОм). Датчики испытывались следующим образом: устанавливались в стенд ПР5151, создающий звуковое давление 10 Па, где измерялось напряжение на выходе датчика на частоте 40 Гц в зависимости от сопротивления Х_п / В_Ьх, после чего строилась зависимость частоты среза/_ср = ½я • R_bxC_n для каждого пьезоэлемента от Х_п / R_BX.

Для этих же датчиков на цифровом осциллографе записывалась осциллограмма пульса и тонов при измерениях АД и определялось отношение амплитуды сигнала тонов U_TK к амплитуде сигнала пульса U_n. Строилась зависимость U_TK / U_n от Х_п / R_BX.