Seinkondisionering van piëzo-elektriese ultrasoniese sensors

Piëzo-elektriese sensor

Die toepassing van piëzo-elektriese sensors vir waarneming en opwekking strek tot baie gebiede. Hierdie artikel stel hoofsaaklik die induksie van sommige fisiese intensiteite bekend, naamlik versnelling, vibrasie, ossillasie en druk, wat as soortgelyk beskou kan word vanuit die perspektief van die sensor en sy vereiste seinaanpassing. In terme van versnelling, word die ultrasoniese sensor sensitiwiteit gewoonlik uitgedruk as 'n lading wat eweredig is aan die eksterne krag of versnelling (genoem versnelling as gevolg van swaartekrag meeste van die tyd). In 'n streng fisiese sin gee die ultrasoniese sensor egter 'n lading wat eintlik bepaal word deur sy vervorming/defleksie. Wys 'n piezo keramiek sensor geïnstalleer by die boonste posisie, terwyl die onderkant deur 'n eksterne krag getrek word. In die geval van die gebruik van 'n versnellingsmeter, sal die vaste punt (bo) vashou aan die voorwerp wat gemeet moet word versnelling, en terselfdertyd Die eksterne krag is die traagheid van die massa wat aan die ander punt (onderkant) kleef, en hierdie punt wil voortdurend stil bly. So ver as wat die verwysingskoördinaatstelsel aan die bokant vas is (met die veronderstelling dat die sensor as 'n veer optree met 'n hoë veerkonstante K), sal die defleksie x 'n reaksiekrag vorm:

Fint = Kx (1)

Uiteindelik sal die massa (ultrasoniese sensor) ophou beweeg/verander onder die volgende toestande:

Fint = Feks = Kx (2)

Aangesien lading Q eweredig is aan defleksie (eerste orde), en defleksie eweredig aan krag is, is Q ook eweredig aan krag. 'n Sinusvormige krag met 'n maksimum waarde van Fmaks sal 'n sinusvormige lading met 'n maksimum waarde van Qmaks vorm. Met ander woorde, wanneer die sinuskrag op sy maksimum waarde is, kan die stroom vanaf die sensor geïntegreer word om Qmax te kry. Die verhoging van die frekwensie van die sinusgolf sal die stroom verhoog; maar dit sal die piek vinniger bereik, dit wil sê om die integraal (Qmax) konstant te hou. frekwensiereeks van die ultrasoniese sensor om die sensitiwiteitspesifikasie te spesifiseer. As gevolg van die meganiese eienskappe van die sensor, het die sensor egter eintlik 'n resonante frekwensie (bo die bruikbare frekwensiereeks), en selfs 'n klein ossillasiekrag sal 'n relatief groot defleksie produseer, wat 'n groot uitsetamplitude tot gevolg het. As ons die effek van resonansie ignoreer, kan ons die piëzo-elektriese sensor modelleer as 'n van die stroombron in parallel met die C-sensor (of na verwys as parasitiese kapasitansie). modelleer dit as 'n spanningsbron in serie met Cd. Hierdie spanning is die ekwivalente spanning wat op die anode van die sensor gesien word wanneer lading gestoor word. Ons moet egter aandag gee aan die feit dat die tweede metode eenvoudiger is in terme van simulasie van baie toepassings. Soos vroeër genoem, is die stroom eweredig aan die tempo van skeefverandering; vir 'n sinusvormige WS-kromme met konstante amplitudeversnelling, moet die amplitude van die stroomopwekker volgens frekwensie verander word.

Ten slotte, as so 'n kragopwekker die werklike fisiese sein moet verteenwoordig, kan 'n transformator gebruik word. In hierdie voorbeeld het ons 'n kragopwekker met 0.5pC/g sensitiwiteit en 500pF parasitiese kapasitansie gemodelleer. Die sinusgolfgenerator lewer 1V per eenheid g uit om simulasie te realiseer. Die transformator verstel dit tot 1mV in sy sekondêre spoel. Die 1mV-swaai sal in die volgende stadium ingespuit word aangesien ons verwag het dat Q = VC = 0.5 pC.

Lading versterker analise

Toon die basiese beginsel van 'n klassieke ladingsversterker, wat as 'n seinkondisioneringskring gebruik kan word. In hierdie geval kies ons die huidige bronmodel, wat aandui dat die ultrasoniese sensor hoofsaaklik 'n toestel met 'n hoë uitsetimpedansie is.

insetweerstand

Die seinkondisioneringskring van piezo keramiek skyf transducer

moet 'n nie-lae insetimpedansie hê om die meeste van die lading-uitset van die sensor te versamel. Daarom is 'n ladingversterker 'n ideale oplossing, want solank as wat die versterker 'n hoë wins by hierdie seinfrekwensies handhaaf, sal sy insette veroorsaak dat die sensorsein virtuele grond verskyn. Met ander woorde, as enige lading van die sensor op die sensoranode (Cd) of versterkerinset parasitiese kapasitansie (Ca) wil toeneem, sal 'n spanning by die versterkerinset gevorm word. Deur dieselfde hoeveelheid negatiewe terugvoernetwerkladingstroom te trek of te trek, naamlik RFB en CFB, word hierdie spanning onmiddellik vergoed.

Wins

Omdat die seininvoer van die versterker virtuele grond is, vorm die insetstroom 'n soort uitsetspanningswaai; en die hoëfrekwensiewins word gestel deur die waarde van CFB (RFB-invloed word verminder, wat later in die 'bandwydte'-deel beskryf sal word). Neem asseblief kennis dat hoe kleiner die kapasitansie. Let ook daarop dat die stroombaanwins glad nie afhang van die kapasitansie (Cd) van die ultrasoniese sensor nie, maar dit is beter om aandag te gee aan die effek van hierdie waarde op geraas.

bandwydte

Om die versterker korrek te kan voorspan (voorsien 'n GS-pad vir die versterker se insetvoorspanning), word 'n terugvoerweerstand (Rf) benodig. By laer frekwensies word die kapasitiewe stroombaan van die terugvoerpad 'n oop stroombaan, en die terugvoerweerstand word die hoofweerstand, waardeur die wins effektief verminder word. By hoër frekwensies word die impedansie van die kapasitorkring kleiner, waardeur die invloed van die weerstandterugvoerpad effektief uitgeskakel word. Die finale kringreaksie op AC fisiese opwekking (insluitend die parasitiese kapasitansie van die sensor) is die reaksie van die hoogdeurlaatfilter.

Die relevante seinbandwydte word deur die toepassing bepaal. Daarom, terwyl die kapasitansie verminder word om die wins te verhoog, is dit ook nodig om die weerstand te verhoog om die poolfrekwensie laag te hou. Die byvoeging van weerstand sal ander aspekte van die oplossing beïnvloed. Benewens die beïnvloeding van geraas (in detail beskryf in die 'geraas'-afdeling), hoe hoër die weerstand, hoe moeiliker is dit om dit werklik te implementeer - dit is moeilik om 'n klaargemaakte weerstand te vind en om te verseker dat die PCB-spoor na parasitiese weerstand groter is as die RFB self. As die stroombaanspesifikasies die gebruik van weerstande van toelaat, kan die oppervlakmonteringsweerstande onmiddellik gebruik word, en word gevorderde uitlegtegnieke (soos die gebruik van beskermbande, ens.) nie vereis nie.

Soos vroeër genoem, 'n ander faktor beperking van piezo keramiek silinder toename in weerstand is stroombaan vooroordeel. Die insetvoorspanningstroom van die versterker vorm 'n uitsetvoorspanning deur die resistor. Hierdie spanning kan geminimaliseer word deur versterkers met lae insetvoorspanningstrome te kies, soos VOO-insetversterkers. Solank die terugvoerweerstandwaarde minder as 1GΩ is, en die AC-koppeling tussen die stadiums gebruik kan word om die gegenereerde offset te filtreer, behoort die insetvoorspanningstroom van hierdie versterker (gewoonlik minder as 100pA) geen probleem te wees nie.

Neem asseblief kennis dat as gevolg van die moeilikheid om die hoogdeurlaatfilter lae frekwensie te hou, dit al hoe moeiliker word om piëso-elektriese sensors in naby GS-toepassings te gebruik (alhoewel die lekstroom van die sensor self baie klein is).

Alhoewel dit nie deel van die versterkingstadium is nie, moet 'n laagdeurlaatfilter iewers bygevoeg word om die stroombaan se reaksie op ongewenste seine by die ultrasoniese sensor se resonansiefrekwensie te verminder, terwyl die totale digitalisering en aliasing geraas in die betrokke frekwensieband verminder word.