Signalbehandling af piezoelektriske ultralydssensorer

Piezoelektrisk sensor

Anvendelsen af ​​piezoelektriske sensorer til sensing og excitation strækker sig til mange områder. Denne artikel introducerer hovedsageligt induktionen af ​​nogle fysiske intensiteter, nemlig acceleration, vibration, oscillation og tryk, som kan betragtes som ens fra sensorens perspektiv og dens nødvendige signaljustering. Med hensyn til acceleration udtrykkes ultralydssensorens følsomhed normalt som en ladning, der er proportional med den eksterne kraft eller acceleration (kaldet acceleration på grund af tyngdekraften det meste af tiden). Men i en streng fysisk forstand udsender ultralydssensoren en ladning, der faktisk er bestemt af dens deformation/afbøjning. Viser en piezo keramisk sensor installeret i den øverste position, mens bunden bliver trukket af en ekstern kraft. Ved brug af et accelerometer vil den faste ende (øverst) klæbe til den genstand, der skal måles acceleration, og samtidig Den ydre kraft er massens inerti, der klæber til den anden ende (nederst), og denne ende ønsker hele tiden at forblive stille. For så vidt referencekoordinatsystemet er fastgjort i toppen (forudsat at sensoren fungerer som en fjeder med en høj fjederkonstant K), vil afbøjningen x danne en reaktionskraft:

Fint = Kx (1)

I sidste ende vil massen (ultralydssensoren) holde op med at bevæge sig/ændres under følgende forhold:

Fint = Fext = Kx (2)

Da ladning Q er proportional med afbøjning (første orden), og afbøjning er proportional med kraft, er Q også proportional med kraft. En sinusformet kraft med en maksimal værdi på Fmax vil danne en sinusformet ladning med en maksimal værdi på Qmax. Med andre ord, når sinuskraften er på sin maksimale værdi, kan strømmen fra sensoren integreres for at få Qmax. Forøgelse af frekvensen af ​​sinusbølgen vil øge strømmen; men det vil nå toppen hurtigere, det vil sige at holde integralet (Qmax) konstant. frekvensområde for ultralydssensoren for at specificere følsomhedsspecifikationen. Men på grund af sensorens mekaniske egenskaber har sensoren faktisk en resonansfrekvens (over det anvendelige frekvensområde), og selv en lille oscillationskraft vil producere en relativt stor afbøjning, hvilket resulterer i en stor udgangsamplitude. Hvis vi ignorerer effekten af resonans, kan vi modellere den piezoelektriske sensor som en strømkilde parallelt med sensoren (eller parasitisk kapacitans i sensoren). modeller det som en spændingskilde i serie med Cd. Denne spænding er den tilsvarende spænding, der ses på sensorens anode, når ladningen opbevares. Vi skal dog være opmærksomme på, at den anden metode er enklere med hensyn til simulering af mange applikationer. Som tidligere nævnt er strømmen proportional med hastigheden af ​​skævvridning; for en sinusformet AC-kurve med konstant amplitudeacceleration skal strømgeneratorens amplitude ændres efter frekvens.

Endelig, hvis en sådan generator skal repræsentere det faktiske fysiske signal, kan en transformer bruges. I dette eksempel modellerede vi en generator med 0,5pC/g følsomhed og 500pF parasitisk kapacitans. Sinusbølgegeneratoren udsender 1V pr. enhed g for at realisere simulering. Transformatoren justerer den ned til 1mV i sin sekundære spole. 1mV-svinget vil blive injiceret i næste fase, da vi forventede Q = VC = 0,5 pC.

Ladeforstærker analyse

Viser det grundlæggende princip for en klassisk ladningsforstærker, som kan bruges som et signalbehandlingskredsløb. I dette tilfælde vælger vi den aktuelle kildemodel, hvilket indikerer, at ultralydssensoren hovedsageligt er en enhed med høj udgangsimpedans.

indgangsmodstand

Signalbehandlingskredsløbet af piezo keramisk skive transducer

skal have en ikke-lav indgangsimpedans for at opsamle det meste af ladningsoutputtet fra sensoren. Derfor er en ladeforstærker en ideel løsning, for så længe forstærkeren holder en høj forstærkning ved disse signalfrekvenser, vil dens input få sensorsignalet til at fremstå virtuel jord. Med andre ord, hvis en ladning af sensoren ønsker at stige på sensoranoden (Cd) eller forstærkerens indgangs parasitære kapacitans (Ca), vil der blive dannet en spænding ved forstærkerens indgang. Ved at trække eller trække den samme mængde negativ feedback-netværks ladestrøm, nemlig RFB og CFB, kompenseres denne spænding øjeblikkeligt.

Gevinst

Fordi forstærkerens signalindgang er virtuel jord, danner indgangsstrømmen en slags udgangsspændingssving; og højfrekvensforstærkningen indstilles af værdien af ​​CFB (RFB-påvirkning reduceres, hvilket vil blive beskrevet senere i 'båndbredde'-delen). Bemærk venligst, at jo mindre kapacitans er. Bemærk også, at kredsløbsforstærkningen slet ikke afhænger af kapacitansen (Cd) af ultralydssensoren, men det er bedre at være opmærksom på effekten af ​​denne værdi på støj.

båndbredde

For at være i stand til at forspænde forstærkeren korrekt (give en DC-vej til forstærkerens indgangsforspændingsstrøm), kræves en tilbagekoblingsmodstand (Rf). Ved lavere frekvenser bliver feedbackvejens kapacitive kredsløb et åbent kredsløb, og feedbackmodstanden bliver hovedmodstanden, hvorved forstærkningen effektivt reduceres. Ved højere frekvenser bliver impedansen af ​​kondensatorkredsløbet mindre, hvorved påvirkningen af ​​modstandsfeedback-vejen effektivt elimineres. Det endelige kredsløbsrespons på AC fysisk excitation (inklusive sensorens parasitiske kapacitans) er højpasfilterets respons.

Den relevante signalbåndbredde bestemmes af applikationen. Derfor, mens du reducerer kapacitansen for at øge forstærkningen, er det også nødvendigt at øge modstanden for at holde polfrekvensen lav. Tilføjelse af modstand vil påvirke andre aspekter af løsningen. Ud over at påvirke støjen (beskrevet i detaljer i afsnittet 'støj'), jo højere modstanden er, jo sværere er det faktisk at implementere det - det er svært at finde en færdiglavet modstand og at sikre, at PCB-sporet til sporing af parasitresistens er større end selve RFB'en. Hvis kredsløbsspecifikationerne tillader brug af modstande af , kan overflademonteringsmodstandene bruges med det samme, og avancerede layoutteknikker (såsom brug af beskyttelsesbånd osv.) er ikke påkrævet.

Som nævnt tidligere, en anden faktor begrænsende af piezo keramiske cylinder stigninger i modstand er kredsløb bias. Forstærkerens indgangsforspændingsstrøm danner en udgangsforspænding gennem modstanden. Denne spænding kan minimeres ved at vælge forstærkere med lave input bias strømme, såsom FET input forstærkere. Så længe tilbagekoblingsmodstandsværdien er mindre end 1GΩ, og AC-koblingen mellem trinene kan bruges til at filtrere den genererede offset, så burde indgangsforspændingsstrømmen på denne forstærker (generelt mindre end 100pA) ikke være noget problem.

Bemærk venligst, at på grund af vanskeligheden ved at holde højpasfilteret lav frekvens, bliver det mere og mere vanskeligt at bruge piezoelektriske sensorer i nær DC-applikationer (selvom selve sensorens lækstrøm er meget lille).

Selvom det ikke er en del af forstærkningstrinnet, skal der tilføjes et lavpasfilter et sted for at reducere kredsløbets respons på uønskede signaler ved ultralydssensorens resonansfrekvens, samtidig med at den totale digitalisering og aliasing-støj i det relevante frekvensbånd reduceres.