تنظیم سیگنال سنسورهای اولتراسونیک پیزوالکتریک

سنسور پیزوالکتریک

کاربرد سنسورهای پیزوالکتریک برای سنجش و برانگیختگی در بسیاری از مناطق گسترش یافته است. این مقاله عمدتاً به معرفی برخی از شدت‌های فیزیکی یعنی شتاب، ارتعاش، نوسان و فشار می‌پردازد که می‌توان از منظر سنسور و تنظیم سیگنال مورد نیاز آن را مشابه دانست. از نظر شتاب، حساسیت سنسور اولتراسونیک معمولاً به صورت باری متناسب با نیروی خارجی یا شتاب بیان می شود (که در بیشتر مواقع شتاب ناشی از گرانش نامیده می شود). با این حال، در یک مفهوم فیزیکی دقیق، سنسور اولتراسونیک باری را تولید می کند که در واقع با تغییر شکل/انحراف آن تعیین می شود. نمایش الف سنسور پیزو سرامیکی در موقعیت بالا نصب شده است، در حالی که قسمت پایین توسط یک نیروی خارجی کشیده می شود. در مورد استفاده از شتاب سنج، انتهای ثابت (بالا) به جسم مورد اندازه گیری شتاب می چسبد و در عین حال نیروی خارجی اینرسی جرم چسبیده به انتهای دیگر (پایین) است و این انتهای دائماً می خواهد ثابت بماند. تا آنجایی که سیستم مختصات مرجع در بالا ثابت است (با فرض اینکه سنسور مانند فنر با ثابت فنر K بالا عمل می کند)، انحراف x نیروی واکنش را تشکیل می دهد:

Fint = Kx (1)

در نهایت، جرم (حسگر اولتراسونیک) تحت شرایط زیر از حرکت/تغییر باز می‌ماند:

Fint = Fext = Kx (2)

از آنجایی که بار Q متناسب با انحراف ( مرتبه اول) و انحراف متناسب با نیرو است، Q نیز متناسب با نیرو است. یک نیروی سینوسی با حداکثر مقدار Fmax یک بار سینوسی با حداکثر مقدار Qmax تشکیل می دهد. به عبارت دیگر، هنگامی که نیروی سینوسی در حداکثر مقدار خود است، جریان از سنسور می تواند برای بدست آوردن Qmax یکپارچه شود. افزایش فرکانس موج سینوسی باعث افزایش جریان می شود. اما سریعتر به اوج می رسد، یعنی ثابت نگه داشتن انتگرال (Qmax). محدوده فرکانس سنسور اولتراسونیک برای تعیین مشخصات حساسیت. با این حال، به دلیل خواص مکانیکی سنسور، سنسور در واقع فرکانس تشدید دارد (بالاتر از محدوده فرکانس قابل استفاده)، و حتی یک نیروی نوسان کوچک، انحراف نسبتاً زیادی ایجاد می‌کند و در نتیجه دامنه خروجی بزرگی ایجاد می‌شود. اگر تأثیر تشدید را نادیده بگیریم، می‌توانیم حسگر پیزوالکتریک را به عنوان منبع جریانی از سنسور موازی C مدل کنیم. یا آن را به عنوان منبع ولتاژ به صورت سری با Cd مدل کنید. این ولتاژ همان ولتاژی است که در آند سنسور هنگام ذخیره شارژ مشاهده می شود. با این حال، باید به این نکته توجه کنیم که روش دوم از نظر شبیه سازی بسیاری از کاربردها ساده تر است. همانطور که قبلا ذکر شد، جریان متناسب با نرخ تغییر انحراف است. برای یک منحنی AC سینوسی با شتاب دامنه ثابت، دامنه مولد جریان باید با توجه به فرکانس تغییر کند.

در نهایت، اگر چنین ژنراتوری نیاز به نمایش سیگنال فیزیکی واقعی داشته باشد، می توان از یک ترانسفورماتور استفاده کرد. در این مثال، ما یک ژنراتور با حساسیت 0.5pC/g و ظرفیت انگلی 500pF مدلسازی کردیم. مولد موج سینوسی 1 ولت در واحد گرم برای تحقق شبیه سازی خروجی می دهد. ترانسفورماتور آن را تا 1 میلی ولت در سیم پیچ ثانویه خود تنظیم می کند. نوسان 1mV در مرحله بعدی همانطور که انتظار داشتیم Q = VC = 0.5 pC تزریق می شود.

تجزیه و تحلیل تقویت کننده شارژ

نمایش اصل اساسی تقویت کننده شارژ کلاسیک، که می تواند به عنوان یک مدار تهویه سیگنال استفاده شود. در این مورد، مدل منبع فعلی را انتخاب می کنیم که نشان می دهد سنسور اولتراسونیک عمدتاً دستگاهی با امپدانس خروجی بالا است.

مقاومت ورودی

مدار تهویه سیگنال از مبدل دیسکی سرامیکی پیزو

باید دارای امپدانس ورودی کم باشد تا بیشتر بار خروجی سنسور را جمع کند. بنابراین، تقویت کننده شارژ یک راه حل ایده آل است، زیرا تا زمانی که تقویت کننده بهره بالایی را در این فرکانس های سیگنال حفظ کند، ورودی آن باعث می شود سیگنال سنسور زمین مجازی ظاهر شود. به عبارت دیگر، اگر هر بار سنسور بخواهد روی آند سنسور (Cd) یا ظرفیت انگلی ورودی تقویت کننده (Ca) افزایش یابد، ولتاژی در ورودی تقویت کننده ایجاد می شود. با کشیدن یا کشیدن همان مقدار جریان شارژ شبکه بازخورد منفی یعنی RFB و CFB، این ولتاژ بلافاصله جبران می شود.

به دست آوردن

از آنجایی که ورودی سیگنال تقویت کننده زمین مجازی است، جریان ورودی نوعی نوسان ولتاژ خروجی را تشکیل می دهد. و بهره فرکانس بالا با مقدار CFB تنظیم می شود (تاثیر RFB کاهش می یابد، که بعداً در قسمت 'پهنای باند' توضیح داده خواهد شد). لطفا توجه داشته باشید که هر چه ظرفیت ظرفیت کمتر باشد. همچنین توجه داشته باشید که بهره مدار به هیچ وجه به ظرفیت (Cd) سنسور اولتراسونیک بستگی ندارد، اما بهتر است به تأثیر این مقدار بر نویز توجه کنید.

پهنای باند

برای اینکه بتوان تقویت کننده را به درستی بایاس کرد (یک مسیر DC برای جریان بایاس ورودی تقویت کننده ارائه کنید)، یک مقاومت فیدبک (Rf) مورد نیاز است. در فرکانس‌های پایین‌تر، مدار خازنی مسیر فیدبک به یک مدار باز تبدیل می‌شود و مقاومت فیدبک به مقاومت اصلی تبدیل می‌شود و در نتیجه به طور موثر بهره را کاهش می‌دهد. در فرکانس‌های بالاتر، امپدانس مدار خازن کوچک‌تر می‌شود و در نتیجه تاثیر مسیر بازخورد مقاومت را به طور موثر حذف می‌کند. پاسخ مدار نهایی به تحریک فیزیکی AC (از جمله ظرفیت انگلی سنسور) پاسخ فیلتر بالاگذر است.

پهنای باند سیگنال مربوطه توسط برنامه تعیین می شود. بنابراین، ضمن کاهش ظرفیت خازن برای افزایش بهره، افزایش مقاومت نیز برای پایین نگه داشتن فرکانس قطب ضروری است. افزودن مقاومت بر جنبه های دیگر راه حل تأثیر می گذارد. علاوه بر تاثیر بر نویز (که در بخش 'نویز' به تفصیل توضیح داده شده است)، هرچه مقاومت بالاتر باشد، اجرای واقعی آن دشوارتر است - یافتن مقاومت آماده و اطمینان از اینکه رد PCB برای ردیابی مقاومت انگلی بیشتر از خود RFB است دشوار است. اگر مشخصات مدار اجازه استفاده از مقاومت‌ها را بدهد، می‌توان بلافاصله از مقاومت‌های روی سطح استفاده کرد و به تکنیک‌های چیدمان پیشرفته (مانند استفاده از نوارهای محافظ و غیره) نیازی نیست.

همانطور که قبلا ذکر شد، یکی دیگر از عوامل محدود کننده از سیلندر سرامیکی پیزو بایاس مدار است. افزایش مقاومت جریان بایاس ورودی تقویت کننده یک ولتاژ بایاس خروجی را از طریق مقاومت تشکیل می دهد. این ولتاژ را می توان با انتخاب تقویت کننده هایی با جریان بایاس ورودی کم، مانند تقویت کننده های ورودی FET به حداقل رساند. تا زمانی که مقدار مقاومت فیدبک کمتر از 1GΩ باشد و از کوپلینگ AC بین مراحل می توان برای فیلتر کردن افست تولید شده استفاده کرد، جریان بایاس ورودی این تقویت کننده (معمولاً کمتر از 100 pA) مشکلی ندارد.

لطفاً توجه داشته باشید که به دلیل دشواری پایین نگه داشتن فیلتر بالاگذر، استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک در برنامه‌های DC نزدیک‌تر و سخت‌تر می‌شود (اگرچه جریان نشتی خود سنسور بسیار کم است).

اگرچه بخشی از مرحله تقویت نیست، یک فیلتر پایین گذر باید در جایی اضافه شود تا پاسخ مدار به سیگنال های ناخواسته در فرکانس تشدید سنسور اولتراسونیک را کاهش دهد و در عین حال دیجیتالی شدن کل و نویز را در باند فرکانسی مربوطه کاهش دهد.