Pietsosähköisten ultraääniantureiden signaalinkäsittely

Pietsosähköinen anturi

Pietsosähköisten antureiden käyttö tunnistusta ja viritystä varten ulottuu monille alueille. Tässä artikkelissa esitellään pääasiassa joidenkin fyysisten intensiteettien, nimittäin kiihtyvyyden, värähtelyn, värähtelyn ja paineen induktiota, joita voidaan pitää samanlaisina anturin ja sen vaaditun signaalin säädön näkökulmasta. Kiihtyvyyden suhteen ultraäänianturin herkkyys ilmaistaan ​​yleensä varauksena, joka on verrannollinen ulkoiseen voimaan tai kiihtyvyyteen (kutsutaan suurimman osan ajasta painovoiman aiheuttamaksi kiihtyvyydeksi). Kuitenkin tiukassa fysikaalisessa mielessä ultraäänianturi tuottaa varauksen, jonka itse asiassa määrää sen muodonmuutos/poikkeama. Näytetään a pietsokeraaminen anturi asennettu yläasentoon, kun alaosaa vetää ulkoinen voima. Kiihtyvyysmittaria käytettäessä kiinteä pää (yläosa) kiinnittyy mitattavaan kiihtyvyyteen, ja samalla ulkoinen voima on toiseen päähän (pohjaan) tarttuvan massan hitaus, ja tämä pää haluaa jatkuvasti pysyä paikallaan. Sikäli kuin referenssikoordinaattijärjestelmä on kiinteä yläosassa (olettaen, että anturi toimii jousena, jolla on korkea jousivakio K), taipuma x muodostaa reaktiovoiman:

Fint = Kx (1)

Lopulta massa (ultraäänianturi) lakkaa liikkumasta/muuttumasta seuraavissa olosuhteissa:

Fint = Fext = Kx (2)

Koska varaus Q on verrannollinen taipumaan (ensimmäinen kerta) ja taipuma on verrannollinen voimaan, Q on myös verrannollinen voimaan. Sinimuotoinen voima, jonka enimmäisarvo on Fmax, muodostaa sinimuotoisen varauksen, jonka enimmäisarvo on Qmax. Toisin sanoen, kun sinivoima on maksimiarvossaan, anturin virta voidaan integroida saamaan Qmax. Siniaallon taajuuden lisääminen lisää virtaa; mutta se saavuttaa huippunsa nopeammin, eli pitää integraalin (Qmax) vakiona. ultraäänianturin taajuusalue määrittääksesi herkkyysmäärityksen. Anturin mekaanisista ominaisuuksista johtuen anturilla on kuitenkin todellisuudessa resonanssitaajuus (yli käyttökelpoisen taajuusalueen), ja pienikin värähtelyvoima tuottaa suhteellisen suuren taipuman, mikä johtaa suureen lähtöamplitudiin. Jos jätämme huomiotta resonanssin vaikutuksen, voimme mallintaa pietsosähköisen anturin virtalähteenä, rinnakkain sen mallin kanssa, jota kutsutaan loiskapasitekseksi (C-malliksi). jännitelähde sarjassa Cd:n kanssa. Tämä jännite on vastaava jännite, joka näkyy anturin anodissa varauksen varastoinnin aikana. Meidän on kuitenkin kiinnitettävä huomiota siihen, että toinen menetelmä on yksinkertaisempi monien sovellusten simuloinnin kannalta. Kuten aiemmin mainittiin, virta on verrannollinen vinon muutoksen nopeuteen; sinimuotoiselle AC-käyrälle, jolla on vakioamplitudikiihtyvyys, virtageneraattorin amplitudia on muutettava taajuuden mukaan.

Lopuksi, jos sellaisen generaattorin täytyy edustaa todellista fyysistä signaalia, voidaan käyttää muuntajaa. Tässä esimerkissä mallisimme generaattorin, jonka herkkyys on 0,5 pC/g ja loiskapasitanssi 500 pF. Siniaaltogeneraattori tuottaa 1 V yksikköä g kohti simuloinnin toteuttamiseksi. Muuntaja säätää sen toisiokäämessä 1 mV:iin. 1 mV swing injektoidaan seuraavassa vaiheessa, kuten odotimme Q = VC = 0,5 pC.

Varausvahvistimen analyysi

Näyttää klassisen varausvahvistimen perusperiaatteen, jota voidaan käyttää signaalinkäsittelypiirinä. Tässä tapauksessa valitsemme nykyisen lähdemallin, mikä osoittaa, että ultraäänianturi on pääasiassa laite, jolla on korkea lähtöimpedanssi.

tulovastus

Signaalinkäsittelypiiri piezo keraaminen levymuunnin

on oltava ei-matala tuloimpedanssi kerätäkseen suurimman osan anturin varauslähdöstä. Siksi varausvahvistin on ihanteellinen ratkaisu, koska niin kauan kuin vahvistin säilyttää korkean vahvistuksen näillä signaalitaajuuksilla, sen tulo saa anturin signaalin näyttämään virtuaaliselta maalta. Toisin sanoen, jos jokin anturin varaus haluaa nousta anturin anodilla (Cd) tai vahvistimen tulokapasitanssilla (Ca), vahvistimen tuloon muodostuu jännite. Tämä jännite kompensoituu välittömästi vetämällä tai vetämällä saman verran negatiivista palautetta verkkovarausvirtaa, nimittäin RFB:tä ja CFB:tä.

Saada

Koska vahvistimen signaalitulo on virtuaalinen maa, tulovirta muodostaa eräänlaisen lähtöjännitteen heilahduksen; ja korkean taajuuden vahvistus asetetaan CFB:n arvolla (RFB-vaikutus vähenee, mikä kuvataan myöhemmin 'kaistanleveys'-osassa). Huomaa, että mitä pienempi kapasitanssi. Huomaa myös, että piirin vahvistus ei riipu lainkaan ultraäänianturin kapasitanssista (Cd), mutta on parempi kiinnittää huomiota tämän arvon vaikutukseen kohinaan.

kaistanleveys

Vahvistimen biasoimiseksi oikein (tarjoa DC-polku vahvistimen tulobias-virralle), tarvitaan takaisinkytkentävastus (Rf). Matalilla taajuuksilla takaisinkytkentäpolun kapasitiivinen piiri muuttuu avoimeksi piiriksi ja takaisinkytkentäresistanssista tulee päävastus, mikä vähentää tehokkaasti vahvistusta. Korkeammilla taajuuksilla kondensaattoripiirin impedanssi pienenee, mikä eliminoi tehokkaasti resistanssin takaisinkytkentäpolun vaikutuksen. Piirin lopullinen vaste AC-fyysiseen viritteeseen (mukaan lukien anturin loiskapasitanssi) on ylipäästösuodattimen vaste.

Sovellus määrittää asiaankuuluvan signaalin kaistanleveyden. Siksi, samalla kun kapasitanssia pienennetään vahvistuksen lisäämiseksi, on myös tarpeen lisätä vastusta, jotta napataajuus pysyy alhaisena. Resistanssin lisääminen vaikuttaa ratkaisun muihin näkökohtiin. Sen lisäksi, että se vaikuttaa kohinaan (kuvattu yksityiskohtaisesti kohdassa 'melu'), mitä suurempi vastus on, sitä vaikeampaa on toteuttaa se - on vaikea löytää valmiita vastusta ja varmistaa, että PCB-jäljitys loisresistanssiin on suurempi kuin itse RFB. Jos piirin tekniset tiedot sallivat vastusten käytön, pinta-asennusvastuksia voidaan käyttää välittömästi, eikä edistyneitä asettelutekniikoita (kuten suojanauhojen käyttöä jne.) tarvita.

Kuten aiemmin mainittiin, toinen rajoittava tekijä Pietsokeraamisen sylinterin vastuksen kasvu on piirin poikkeama. Vahvistimen tulobias-virta muodostaa lähtöbias-jännitteen vastuksen läpi. Tämä jännite voidaan minimoida valitsemalla vahvistimet, joilla on alhainen tulobiasvirta, kuten FET-tulovahvistimet. Niin kauan kuin takaisinkytkentävastuksen arvo on alle 1GΩ ja portaiden välistä AC-kytkentää voidaan käyttää generoidun offsetin suodattamiseen, tämän vahvistimen tulobiasvirran (yleensä alle 100 pA) ei pitäisi olla ongelma.

Huomaa, että ylipäästösuodattimen matalataajuisen pitämisen vaikeudesta johtuen pietsosähköisten antureiden käyttäminen lähellä DC-sovelluksia on yhä vaikeampaa (vaikka anturin vuotovirta on hyvin pieni).

Vaikka se ei ole osa vahvistusvaihetta, jonnekin on lisättävä alipäästösuodatin, joka vähentää piirin vastetta ei-toivottuihin signaaleihin ultraäänianturin resonanssitaajuudella ja samalla vähentää kokonaisdigitointia ja aliasointikohinaa kyseisellä taajuuskaistalla.