Úprava signálu piezoelektrických ultrazvukových snímačů

Piezoelektrický senzor

Použití piezoelektrických senzorů pro snímání a buzení se rozšiřuje do mnoha oblastí. Tento článek představuje především indukci některých fyzikálních intenzit, a to zrychlení, vibrací, kmitání a tlaku, které lze z pohledu snímače a jeho požadovaného nastavení signálu považovat za podobné. Pokud jde o zrychlení, citlivost ultrazvukového senzoru je obvykle vyjádřena jako náboj úměrný vnější síle nebo zrychlení (většinou nazývané zrychlení způsobené gravitací). V přísném fyzikálním smyslu však ultrazvukový senzor vydává náboj, který je ve skutečnosti určen jeho deformací/průhybem. Zobrazení a piezokeramický senzor je instalován v horní poloze, zatímco spodní je tažen vnější silou. V případě použití akcelerometru se pevný konec (nahoře) přilepí na měřený objekt zrychlení a zároveň Vnější síla je setrvačnost hmoty ulpívající na druhém konci (dole) a tento konec chce neustále zůstat v klidu. Pokud je referenční souřadnicový systém upevněn nahoře (za předpokladu, že snímač funguje jako pružina s vysokou konstantou pružiny K), bude výchylka x tvořit reakční sílu:

Fint = Kx (1)

Nakonec se hmota (ultrazvukový senzor) přestane pohybovat/měnit za následujících podmínek:

Fint = Fext = Kx (2)

Protože náboj Q je úměrný výchylce (prvního řádu) a výchylka je úměrná síle, je Q také úměrné síle. Sinusová síla s maximální hodnotou Fmax vytvoří sinusový náboj s maximální hodnotou Qmax. Jinými slovy, když je sinusová síla na své maximální hodnotě, proud ze snímače lze integrovat a získat tak Qmax. Zvýšení frekvence sinusové vlny zvýší proud; ale dosáhne vrcholu rychleji, to znamená, že integrál (Qmax) zůstane konstantní. frekvenční rozsah ultrazvukového senzoru pro specifikaci specifikace citlivosti. Vzhledem k mechanickým vlastnostem snímače má však snímač ve skutečnosti rezonanční frekvenci (nad použitelným frekvenčním rozsahem) a i malá oscilační síla způsobí relativně velkou výchylku, která má za následek velkou výstupní amplitudu. Pokud pomineme vliv rezonance, můžeme piezoelektrický snímač modelovat jako zdroj proudu paralelně s parazitní kapacitou snímače jako zdroj v sérii (zde uváděný jako zdroj C). Toto napětí je ekvivalentní napětí pozorované na anodě snímače při ukládání náboje. Musíme si však dát pozor na to, že druhý způsob je jednodušší z hlediska simulace mnoha aplikací. Jak již bylo zmíněno dříve, proud je úměrný rychlosti změny zešikmení; pro sinusovou střídavou křivku s konstantním zrychlením amplitudy se musí amplituda generátoru proudu měnit podle frekvence.

Konečně, pokud takový generátor potřebuje reprezentovat skutečný fyzický signál, lze použít transformátor. V tomto příkladu jsme modelovali generátor s citlivostí 0,5 pC/g a parazitní kapacitou 500 pF. Generátor sinusových vln vydává 1V na jednotku g pro realizaci simulace. Transformátor jej upraví až na 1 mV ve své sekundární cívce. Výkyv 1 mV bude injektován v další fázi, jak jsme očekávali Q = VC = 0,5 pC.

Analýza zesilovače náboje

Ukazuje základní princip klasického nábojového zesilovače, který lze použít jako obvod pro úpravu signálu. V tomto případě volíme aktuální model zdroje, což naznačuje, že ultrazvukový senzor je především zařízení s vysokou výstupní impedancí.

vstupní odpor

Obvod pro úpravu signálu piezo keramický kotoučový měnič

musí mít nenízkou vstupní impedanci, aby shromáždil většinu nabíjecího výstupu senzoru. Ideálním řešením je tedy nábojový zesilovač, protože dokud si zesilovač na těchto frekvencích signálu zachová vysoký zisk, jeho vstup způsobí, že se signál snímače bude jevit jako virtuální zem. Jinými slovy, pokud bude chtít nějaký náboj snímače zvýšit na anodě snímače (Cd) nebo parazitní kapacitě vstupu zesilovače (Ca), vytvoří se na vstupu zesilovače napětí. Tažením nebo odebíráním stejného množství záporného zpětnovazebního síťového nabíjecího proudu, jmenovitě RFB a CFB, je toto napětí okamžitě kompenzováno.

Získat

Protože vstup signálu zesilovače je virtuální zem, vstupní proud tvoří jakýsi výkyv výstupního napětí; a vysokofrekvenční zesílení je nastaveno hodnotou CFB (vliv RFB je snížen, což bude popsáno později v části 'šířka pásma'). Upozorňujeme, že čím menší je kapacita. Také si uvědomte, že zesílení obvodu vůbec nezávisí na kapacitě (Cd) ultrazvukového snímače, ale je lepší věnovat pozornost vlivu této hodnoty na šum.

šířku pásma

Aby bylo možné správně předpětí zesilovače (poskytnout stejnosměrnou cestu pro vstupní předpětí zesilovače), je zapotřebí zpětnovazební rezistor (Rf). Při nižších frekvencích se kapacitní obvod zpětné vazby stává otevřeným obvodem a odpor zpětné vazby se stává hlavním odporem, čímž se účinně snižuje zisk. Při vyšších frekvencích se impedance kondenzátorového obvodu zmenšuje, čímž se účinně eliminuje vliv odporové zpětné vazby. Konečná odezva obvodu na střídavé fyzické vybuzení (včetně parazitní kapacity snímače) je odezvou horní propusti.

Příslušná šířka pásma signálu je určena aplikací. Proto při snížení kapacity pro zvýšení zisku je také nutné zvýšit odpor, aby byla pólová frekvence nízká. Přidání odporu ovlivní další aspekty řešení. Kromě ovlivnění šumu (podrobně popsaného v sekci 'hluk') platí, že čím vyšší je odpor, tím je obtížnější jej skutečně implementovat - je obtížné najít hotový odpor a zajistit, aby stopa PCB pro sledování parazitního odporu byla větší než samotný RFB. Pokud specifikace obvodu umožňují použití odporů , lze odpory pro povrchovou montáž použít okamžitě a pokročilé techniky rozmístění (jako je použití ochranných pásků atd.) nejsou vyžadovány.

Jak již bylo zmíněno, další faktor omezující piezokeramický válec zvyšuje odpor je předpětí obvodu. Vstupní předpětí zesilovače tvoří výstupní předpětí přes rezistor. Toto napětí lze minimalizovat výběrem zesilovačů s nízkými vstupními předpětím, jako jsou vstupní zesilovače FET. Pokud je hodnota zpětnovazebního odporu menší než 1 GΩ a střídavá vazba mezi stupni může být použita k filtrování generovaného offsetu, pak by vstupní předpětí tohoto zesilovače (obecně méně než 100 pA) nemělo být problémem.

Vezměte prosím na vědomí, že kvůli potížím s udržením nízké frekvence vysokofrekvenčního filtru je stále obtížnější používat piezoelektrické snímače v aplikacích blízkých stejnosměrnému proudu (ačkoli svodový proud samotného snímače je velmi malý).

I když to není součástí zesilovacího stupně, je potřeba někde přidat dolní propust, která sníží odezvu obvodu na nežádoucí signály na rezonanční frekvenci ultrazvukového snímače a zároveň sníží celkový šum digitalizace a aliasingu v příslušném frekvenčním pásmu.