تكييف الإشارة لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الكهرضغطية

جهاز استشعار كهرضغطية

يمتد تطبيق أجهزة الاستشعار الكهرضغطية للاستشعار والإثارة إلى العديد من المجالات. تقدم هذه المقالة بشكل أساسي تحريض بعض الشدة الفيزيائية، وهي التسارع والاهتزاز والتذبذب والضغط، والتي يمكن اعتبارها مماثلة من منظور المستشعر وتعديل الإشارة المطلوبة. فيما يتعلق بالتسارع، عادة ما يتم التعبير عن حساسية المستشعر بالموجات فوق الصوتية كشحنة تتناسب مع القوة الخارجية أو التسارع (يسمى التسارع بسبب الجاذبية في معظم الأوقات). ومع ذلك، بالمعنى المادي الدقيق، يقوم مستشعر الموجات فوق الصوتية بإخراج شحنة يتم تحديدها فعليًا من خلال تشوهها/انحرافها. عرض أ يتم تثبيت مستشعر السيراميك الانضغاطي في الموضع العلوي، بينما يتم سحب الجزء السفلي بواسطة قوة خارجية. وفي حالة استخدام مقياس التسارع، فإن الطرف الثابت (الأعلى) سوف يلتصق بالجسم المراد قياس تسارعه، وفي نفس الوقت القوة الخارجية هي قصور الكتلة الملتصقة بالطرف الآخر (الأسفل)، وهذا الطرف يريد البقاء ثابتًا باستمرار. بقدر ما يكون نظام الإحداثيات المرجعي ثابتًا في الأعلى (بافتراض أن المستشعر يعمل كنابر مع ثابت زنبركي مرتفع K)، فإن الانحراف x سيشكل قوة رد فعل:

فينت = ك س (1)

في النهاية، ستتوقف الكتلة (مستشعر الموجات فوق الصوتية) عن الحركة/التغيير في ظل الظروف التالية:

فينت = فيكست = ك س (2)

بما أن الشحنة Q تتناسب مع الانحراف (الرتبة الأولى)، والانحراف يتناسب مع القوة، فإن Q تتناسب أيضًا مع القوة. القوة الجيبية ذات القيمة القصوى Fmax سوف تشكل شحنة جيبية ذات قيمة قصوى Qmax. بمعنى آخر، عندما تكون قوة الجيب عند قيمتها القصوى، يمكن دمج التيار الصادر من المستشعر للحصول على Qmax. زيادة تردد الموجة الجيبية ستؤدي إلى زيادة التيار؛ ولكنها ستصل إلى القمة بشكل أسرع، أي الحفاظ على ثبات التكامل (Qmax). نطاق التردد لجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لتحديد مواصفات الحساسية. ومع ذلك، نظرًا للخصائص الميكانيكية للمستشعر، فإن المستشعر لديه في الواقع تردد رنين (أعلى من نطاق التردد القابل للاستخدام)، وحتى قوة تذبذب صغيرة ستنتج انحرافًا كبيرًا نسبيًا، مما يؤدي إلى سعة خرج كبيرة. إذا تجاهلنا تأثير الرنين، فيمكننا تصميم المستشعر الكهرضغطي كمصدر تيار بالتوازي مع السعة الطفيلية للمستشعر (يشار إليه هنا بـ Cd)، أو نموذجه كمصدر جهد متسلسل مع Cd. هذا الجهد هو الجهد المكافئ الذي يظهر على أنود المستشعر عند تخزين الشحنة. ولكن علينا أن ننتبه إلى أن الطريقة الثانية أبسط من حيث محاكاة العديد من التطبيقات. وكما ذكرنا سابقًا، فإن التيار يتناسب مع معدل تغير الانحراف؛ بالنسبة لمنحنى التيار المتردد الجيبي مع تسارع ثابت السعة، يجب تغيير سعة المولد الحالي وفقًا للتردد.

وأخيرا، إذا كان مثل هذا المولد يحتاج إلى تمثيل الإشارة المادية الفعلية، فيمكن استخدام المحول. في هذا المثال، قمنا بتصميم مولد بحساسية تبلغ 0.5pC/g وسعة طفيلية تبلغ 500pF. يقوم مولد الموجة الجيبية بإخراج 1V لكل وحدة g لتحقيق المحاكاة. يقوم المحول بضبطه إلى 1mV في ملفه الثانوي. سيتم حقن التأرجح 1mV في المرحلة التالية كما توقعنا Q = VC = 0.5 pC.

تحليل مضخم الشحن

عرض المبدأ الأساسي لمضخم الشحن الكلاسيكي، والذي يمكن استخدامه كدائرة تكييف الإشارة. في هذه الحالة، نختار نموذج المصدر الحالي، مما يشير إلى أن جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هو في الأساس جهاز ذو مقاومة عالية للإخراج.

مقاومة المدخلات

دائرة تكييف الإشارة محول قرص السيراميك بيزو

يجب أن يكون لديه مقاومة إدخال غير منخفضة لتجميع معظم شحنة خرج المستشعر. لذلك، يعد مضخم الشحن حلاً مثاليًا، لأنه طالما حافظ المضخم على كسب عالٍ عند ترددات الإشارة هذه، فإن إدخاله سيؤدي إلى ظهور إشارة المستشعر كأرضية افتراضية. بمعنى آخر، إذا أرادت أي شحنة من المستشعر زيادة على أنود المستشعر (Cd) أو السعة الطفيلية لمدخل المضخم (Ca)، فسيتم تشكيل جهد عند دخل المضخم. عن طريق سحب أو سحب نفس الكمية من تيار شحن الشبكة ذو التغذية العكسية السلبية، أي RFB وCFB، يتم تعويض هذا الجهد على الفور.

يكسب

نظرًا لأن دخل إشارة مكبر الصوت هو أرض افتراضية، فإن تيار الإدخال يشكل نوعًا من تأرجح جهد الخرج؛ ويتم تعيين كسب التردد العالي بواسطة قيمة CFB (يتم تقليل تأثير RFB، والذي سيتم وصفه لاحقًا في الجزء 'عرض النطاق الترددي'). يرجى ملاحظة أن السعة أصغر. لاحظ أيضًا أن كسب الدائرة لا يعتمد على سعة (Cd) لمستشعر الموجات فوق الصوتية على الإطلاق، ولكن من الأفضل الانتباه إلى تأثير هذه القيمة على الضوضاء.

عرض النطاق الترددي

لكي تكون قادرًا على انحياز مكبر الصوت بشكل صحيح (توفير مسار DC لتيار انحياز إدخال مكبر الصوت)، يلزم وجود مقاومة تغذية مرتدة (Rf). عند الترددات المنخفضة، تصبح الدائرة السعوية لمسار التغذية المرتدة دائرة مفتوحة، وتصبح مقاومة التغذية المرتدة هي المقاومة الرئيسية، وبالتالي تقليل الكسب بشكل فعال. عند الترددات الأعلى، تصبح ممانعة دائرة المكثف أصغر، وبالتالي يتم القضاء بشكل فعال على تأثير مسار المقاومة المرتدة. استجابة الدائرة النهائية للإثارة الفيزيائية للتيار المتردد (بما في ذلك السعة الطفيلية للمستشعر) هي استجابة مرشح التمرير العالي.

يتم تحديد عرض النطاق الترددي للإشارة ذات الصلة من خلال التطبيق. لذلك، أثناء تقليل السعة لزيادة الكسب، من الضروري أيضًا زيادة المقاومة للحفاظ على تردد القطب منخفضًا. ستؤثر إضافة المقاومة على جوانب أخرى من الحل. بالإضافة إلى التأثير على الضوضاء (الموصوفة بالتفصيل في قسم 'الضوضاء')، كلما زادت المقاومة، زادت صعوبة تنفيذها فعليًا - فمن الصعب العثور على مقاومة جاهزة والتأكد من أن تتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتتبع المقاومة الطفيلية أكبر من RFB نفسه. إذا كانت مواصفات الدائرة تسمح باستخدام مقاومات، فيمكن استخدام مقاومات التثبيت على السطح على الفور، ولا تكون هناك حاجة إلى تقنيات تخطيط متقدمة (مثل استخدام نطاقات الحماية، وما إلى ذلك).

كما ذكرنا سابقًا، هناك عامل آخر يحد من أسطوانة السيراميك الانضغاطية من انحياز الدائرة. تزيد مقاومة يشكل تيار انحياز الإدخال لمكبر الصوت جهدًا متحيزًا للخرج من خلال المقاوم. يمكن تقليل هذا الجهد عن طريق اختيار مكبرات الصوت ذات تيارات انحياز الإدخال المنخفضة، مثل مضخمات الإدخال FET. طالما أن قيمة مقاومة التغذية الراجعة أقل من 1GΩ، ويمكن استخدام اقتران التيار المتردد بين المراحل لتصفية الإزاحة المتولدة، فيجب ألا يكون هناك مشكلة في تيار انحياز الإدخال لهذا مكبر الصوت (عادةً أقل من 100pA).

يرجى ملاحظة أنه نظرًا لصعوبة الحفاظ على التردد المنخفض لمرشح التمرير العالي، فقد أصبح من الصعب أكثر فأكثر استخدام أجهزة الاستشعار الكهرضغطية في التطبيقات القريبة من التيار المستمر (على الرغم من أن تيار التسرب للمستشعر نفسه صغير جدًا).

على الرغم من أنه ليس جزءًا من مرحلة التضخيم، إلا أنه يجب إضافة مرشح تمرير منخفض في مكان ما لتقليل استجابة الدائرة للإشارات غير المرغوب فيها عند تردد رنين مستشعر الموجات فوق الصوتية، مع تقليل إجمالي الرقمنة والضوضاء المستعارة في نطاق التردد ذي الصلة.