Формаванне сігналу п'езаэлектрычных ультрагукавых датчыкаў

П'езаэлектрычны датчык

Прымяненне п'езаэлектрычных датчыкаў для зандзіравання і ўзбуджэння распаўсюджваецца на многія вобласці. У гэтым артыкуле ў асноўным разглядаецца індукцыя некаторых фізічных інтэнсіўнасцей, а менавіта паскарэння, вібрацыі, ваганняў і ціску, якія можна лічыць падобнымі з пункту гледжання датчыка і неабходнай карэкціроўкі сігналу. З пункту гледжання паскарэння, адчувальнасць ультрагукавога датчыка звычайна выяўляецца як зарад, прапарцыянальны знешняй сіле або паскарэнню (большую частку часу называецца паскарэннем сілы цяжару). Аднак у строгім фізічным сэнсе ультрагукавой датчык выдае зарад, які фактычна вызначаецца яго дэфармацыяй/адхіленнем. Паказ а п'езакерамічны датчык усталяваны ў верхнім становішчы, а ніжні цягнецца знешняй сілай. У выпадку выкарыстання акселерометра фіксаваны канец (верхні) будзе прыліпаць да аб'екта, які вымяраецца, паскарэнне, і ў той жа час Знешняя сіла - гэта інэрцыя масы, якая прылягае да іншага канца (ніжняга), і гэты канец увесь час хоча заставацца нерухомым. Паколькі апорная сістэма каардынат зафіксавана ўверсе (пры ўмове, што датчык дзейнічае як спружына з высокай сталай спружыны K), адхіленне x будзе ўтвараць сілу рэакцыі:

Fint = Kx (1)

У рэшце рэшт, маса (ультрагукавы датчык) перастане рухацца/змяняцца пры наступных умовах:

Fint = Fext = Kx (2)

Паколькі зарад Q прапарцыянальны прагіну (першы парадак), а прагін прапарцыянальны сіле, Q таксама прапарцыянальны сіле. Сінусоідная сіла з максімальным значэннем Fmax утворыць сінусоідны зарад з максімальным значэннем Qmax. Іншымі словамі, калі сіла сінуса дасягае максімальнага значэння, ток ад датчыка можна інтэграваць, каб атрымаць Qmax. Павелічэнне частаты сінусоіды павялічыць ток; але ён дасягне піка хутчэй, гэта значыць захаванне інтэграла (Qmax) пастаянным. частотны дыяпазон ультрагукавога датчыка для ўказання спецыфікацыі адчувальнасці. Аднак з-за механічных уласцівасцей датчыка датчык насамрэч мае рэзанансную частату (вышэй дыяпазону прыдатных частот), і нават невялікая сіла ваганняў прывядзе да адносна вялікага адхілення, што прывядзе да вялікай амплітуды выхаду. Калі мы ігнаруем эфект рэзанансу, мы можам змадэляваць п'езаэлектрычны датчык як крыніцу току паралельна з паразітнай ёмістасцю датчыка (далей - Cd) або змадэляваць яго як крыніца напружання паслядоўна з Cd . Гэта напружанне з'яўляецца эквівалентным напружанню, якое назіраецца на анодзе датчыка пры захоўванні зарада. Аднак трэба звярнуць увагу на тое, што другі спосаб больш просты з пункту гледжання мадэлявання многіх прыкладанняў. Як згадвалася раней, ток прапарцыйны хуткасці змены перакосу; для сінусоіднай крывой пераменнага току з пастаяннай амплітудай паскарэння амплітуда генератара току павінна быць зменена ў залежнасці ад частаты.

Нарэшце, калі такі генератар павінен прадстаўляць фактычны фізічны сігнал, можна выкарыстоўваць трансфарматар. У гэтым прыкладзе мы змадэлявалі генератар з адчувальнасцю 0,5 пКл/г і паразітнай ёмістасцю 500 пФ. Генератар сінусоід выдае 1 В на адзінку g для рэалізацыі мадэлявання. Трансфарматар рэгулюе яго да 1 мВ у сваёй другаснай шпульцы. Кавалак 1 мВ будзе ўведзены на наступным этапе, як мы чакалі, Q = VC = 0,5 пКл.

Аналіз ўзмацняльніка зарада

Паказ асноўнага прынцыпу класічнага ўзмацняльніка зарада, які можа выкарыстоўвацца ў якасці схемы фарміравання сігналу. У гэтым выпадку мы выбіраем мадэль крыніцы току, паказваючы, што ультрагукавы датчык у асноўным з'яўляецца прыладай з высокім выхадным супрацівам.

ўваходны супраціў

Схема фарміравання сігналу п'езакерамічны дыскавы пераўтваральнік

павінен мець нянізкі ўваходны супраціў, каб сабраць большую частку выхаднога зарада датчыка. Такім чынам, узмацняльнік зарада з'яўляецца ідэальным рашэннем, таму што пакуль узмацняльнік падтрымлівае высокі каэфіцыент узмацнення на гэтых частотах сігналу, яго ўваходны сігнал будзе прымушаць сігнал датчыка выглядаць віртуальна заземленым. Іншымі словамі, калі які-небудзь зарад датчыка хоча павялічыць на анодзе датчыка (Cd) або паразітнай ёмістасці (Ca) уваходу ўзмацняльніка, на ўваходзе ўзмацняльніка будзе сфарміравана напружанне. Гэта напружанне адразу ж кампенсуецца шляхам падцягвання або атрымання аднолькавай колькасці сеткавага зараднага току адмоўнай зваротнай сувязі, а менавіта RFB і CFB.

Узмацненне

Паколькі ўваходны сігнал узмацняльніка з'яўляецца віртуальнай зямлёй, уваходны ток утварае свайго роду ваганні выхаднога напружання; і высокачашчыннае ўзмацненне задаецца значэннем CFB (уплыў RFB памяншаецца, што будзе апісана пазней у частцы 'прапускная здольнасць'). Калі ласка, звярніце ўвагу, што чым меншая ёмістасць. Таксама звярніце ўвагу, што каэфіцыент узмацнення схемы зусім не залежыць ад ёмістасці (Cd) ультрагукавога датчыка, але лепш звярнуць увагу на ўплыў гэтага значэння на шум.

прапускная здольнасць

Каб мець магчымасць правільна зрушыць узмацняльнік (забяспечыць шлях пастаяннага току для ўваходнага току зрушэння ўзмацняльніка), патрабуецца рэзістар зваротнай сувязі (Rf). Пры больш нізкіх частотах ёмістная ланцуг шляху зваротнай сувязі становіцца адкрытым, а супраціўленне зваротнай сувязі становіцца асноўным супрацівам, тым самым эфектыўна зніжаючы ўзмацненне. Пры больш высокіх частотах імпеданс ланцуга кандэнсатара становіцца меншым, тым самым эфектыўна ўхіляючы ўплыў супраціўлення зваротнай сувязі. Канчатковая рэакцыя ланцуга на фізічнае ўзбуджэнне пераменнага току (уключаючы паразітную ёмістасць датчыка) - гэта рэакцыя фільтра высокіх частот.

Адпаведная паласа сігналу вызначаецца прылажэннем. Такім чынам, памяншаючы ёмістасць для павелічэння каэфіцыента ўзмацнення, неабходна таксама павялічваць супраціўленне, каб падтрымліваць палюсную частату на нізкім узроўні. Даданне супраціву паўплывае на іншыя аспекты рашэння. У дадатак да ўплыву на шум (падрабязна апісаны ў раздзеле 'шум'), чым вышэй супраціў, тым цяжэй яго рэальна рэалізаваць - цяжка знайсці гатовае супраціўленне і пераканацца, што паразітарнае супраціўленне трасіроўкі друкаванай платы большае, чым сама RFB. Калі спецыфікацыі схемы дазваляюць выкарыстоўваць рэзістары , рэзістары для павярхоўнага мантажу можна выкарыстоўваць неадкладна, і не патрабуюцца сучасныя метады кампаноўкі (напрыклад, выкарыстанне ахоўных палос і г.д.).

Як гаварылася раней, яшчэ адзін фактар, які абмяжоўвае п'езакерамічны цыліндр павялічвае супраціў - зрушэнне ланцуга. Уваходны ток зрушэння ўзмацняльніка фармуе выходную напругу зрушэння праз рэзістар. Гэта напружанне можна звесці да мінімуму, выбраўшы ўзмацняльнікі з нізкім уваходным токам зрушэння, напрыклад, узмацняльнікі ўваходу FET. Пакуль значэнне рэзістара зваротнай сувязі менш за 1 ГАм, а сувязь пераменнага току паміж каскадамі можа быць выкарыстана для фільтрацыі згенераванага зрушэння, то уваходны ток зрушэння гэтага ўзмацняльніка (як правіла, меншы за 100 пА) не павінен быць праблемай.

Калі ласка, звярніце ўвагу, што з-за цяжкасці падтрымання нізкай частаты фільтра высокіх частот становіцца ўсё больш і больш складана выкарыстоўваць п'езаэлектрычныя датчыкі ў прылажэннях, блізкіх да пастаяннага току (хаця ток уцечкі самога датчыка вельмі малы).

Нягледзячы на ​​тое, што ён не з'яўляецца часткай стадыі ўзмацнення, трэба дзе-небудзь дадаць фільтр нізкіх частот, каб паменшыць рэакцыю схемы на непажаданыя сігналы на рэзананснай частаце ультрагукавога датчыка, адначасова памяншаючы агульны шум аблічбоўкі і накладання шумоў у адпаведнай паласе частот.