पीज़ोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक सेंसर की सिग्नल कंडीशनिंग

पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर

संवेदन और उत्तेजना के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर का अनुप्रयोग कई क्षेत्रों तक फैला हुआ है। यह लेख मुख्य रूप से कुछ भौतिक तीव्रताओं, अर्थात् त्वरण, कंपन, दोलन और दबाव को शामिल करने का परिचय देता है, जिसे सेंसर और इसके आवश्यक सिग्नल समायोजन के दृष्टिकोण से समान माना जा सकता है। त्वरण के संदर्भ में, अल्ट्रासोनिक सेंसर संवेदनशीलता को आमतौर पर बाहरी बल या त्वरण (ज्यादातर समय गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण कहा जाता है) के आनुपातिक चार्ज के रूप में व्यक्त किया जाता है। हालाँकि, सख्त भौतिक अर्थ में, अल्ट्रासोनिक सेंसर एक चार्ज आउटपुट करता है जो वास्तव में इसके विरूपण/विक्षेपण द्वारा निर्धारित होता है। एक दिखा रहा हूँ पीजो सिरेमिक सेंसर स्थापित किया गया है, जबकि निचले हिस्से को बाहरी बल द्वारा खींचा जा रहा है। शीर्ष स्थान पर एक्सेलेरोमीटर का उपयोग करने के मामले में, निश्चित छोर (शीर्ष) त्वरण को मापने के लिए वस्तु से चिपक जाएगा, और साथ ही बाहरी बल दूसरे छोर (नीचे) से चिपके द्रव्यमान की जड़ता है, और यह छोर लगातार स्थिर रहना चाहता है। जहां तक ​​संदर्भ समन्वय प्रणाली शीर्ष पर तय की गई है (यह मानते हुए कि सेंसर उच्च स्प्रिंग स्थिरांक K के साथ स्प्रिंग के रूप में कार्य करता है), विक्षेपण x एक प्रतिक्रिया बल बनाएगा:

फिंट = केएक्स (1)

अंततः, द्रव्यमान (अल्ट्रासोनिक सेंसर) निम्नलिखित परिस्थितियों में हिलना/बदलना बंद कर देगा:

फ़िंट = फ़ेक्स्ट = केएक्स (2)

चूँकि आवेश Q विक्षेपण (प्रथम क्रम) के समानुपाती होता है, और विक्षेपण बल के समानुपाती होता है, Q भी बल के समानुपाती होता है। Fmax के अधिकतम मान वाला एक साइनसॉइडल बल Qmax के अधिकतम मान वाला एक साइनसॉइडल चार्ज बनाएगा। दूसरे शब्दों में, जब साइन बल अपने अधिकतम मूल्य पर होता है, तो सेंसर से करंट को Qmax प्राप्त करने के लिए एकीकृत किया जा सकता है। साइन तरंग की आवृत्ति बढ़ने से धारा में वृद्धि होगी; लेकिन यह तेजी से चरम पर पहुंचेगा, यानी इंटीग्रल (क्यूमैक्स) को स्थिर रखेगा। संवेदनशीलता विनिर्देश निर्दिष्ट करने के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर की आवृत्ति रेंज। हालाँकि, सेंसर के यांत्रिक गुणों के कारण, सेंसर में वास्तव में एक गुंजयमान आवृत्ति (प्रयोग योग्य आवृत्ति सीमा से ऊपर) होती है, और यहां तक ​​कि एक छोटा दोलन बल भी अपेक्षाकृत बड़े विक्षेपण का उत्पादन करेगा, जिसके परिणामस्वरूप एक बड़ा आउटपुट आयाम होगा। यदि हम अनुनाद के प्रभाव को अनदेखा करते हैं, तो हम सेंसर के परजीवी कैपेसिटेंस (यहां सीडी के रूप में संदर्भित) के समानांतर एक वर्तमान स्रोत के रूप में पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर को मॉडल कर सकते हैं, या इसे सीडी के साथ श्रृंखला में वोल्टेज स्रोत के रूप में मॉडल कर सकते हैं। यह वोल्टेज चार्ज संग्रहीत करते समय सेंसर के एनोड पर देखा जाने वाला समतुल्य वोल्टेज है। हालाँकि, हमें इस तथ्य पर ध्यान देने की आवश्यकता है कि कई अनुप्रयोगों के अनुकरण के मामले में दूसरी विधि सरल है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, धारा तिरछा परिवर्तन की दर के समानुपाती होती है; निरंतर आयाम त्वरण के साथ एक साइनसोइडल एसी वक्र के लिए, वर्तमान जनरेटर के आयाम को आवृत्ति के अनुसार बदला जाना चाहिए।

अंत में, यदि ऐसे जनरेटर को वास्तविक भौतिक सिग्नल का प्रतिनिधित्व करने की आवश्यकता होती है, तो एक ट्रांसफार्मर का उपयोग किया जा सकता है। इस उदाहरण में, हमने 0.5pC/g संवेदनशीलता और 500pF परजीवी समाई के साथ एक जनरेटर का मॉडल तैयार किया है। सिमुलेशन का एहसास करने के लिए साइन वेव जनरेटर प्रति यूनिट जी 1V आउटपुट करता है। ट्रांसफार्मर इसे अपने द्वितीयक कॉइल में 1mV तक समायोजित करता है। 1mV स्विंग को अगले चरण में इंजेक्ट किया जाएगा जैसा कि हमें उम्मीद थी Q = VC = 0.5 pC।

चार्ज एम्पलीफायर विश्लेषण

क्लासिक चार्ज एम्पलीफायर का मूल सिद्धांत दिखा रहा है, जिसका उपयोग सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट के रूप में किया जा सकता है। इस मामले में, हम वर्तमान स्रोत मॉडल चुनते हैं, जो दर्शाता है कि अल्ट्रासोनिक सेंसर मुख्य रूप से उच्च आउटपुट प्रतिबाधा वाला एक उपकरण है।

इनपुट प्रतिरोध

का सिग्नल कंडीशनिंग सर्किट पीजो सिरेमिक डिस्क ट्रांसड्यूसर

सेंसर के अधिकांश चार्ज आउटपुट को एकत्र करने के लिए एक गैर-निम्न इनपुट प्रतिबाधा होनी चाहिए। इसलिए, एक चार्ज एम्पलीफायर एक आदर्श समाधान है, क्योंकि जब तक एम्पलीफायर इन सिग्नल आवृत्तियों पर उच्च लाभ बनाए रखता है, तब तक इसका इनपुट सेंसर सिग्नल को आभासी जमीन पर प्रदर्शित करेगा। दूसरे शब्दों में, यदि सेंसर का कोई चार्ज सेंसर एनोड (सीडी) या एम्पलीफायर इनपुट परजीवी कैपेसिटेंस (सीए) पर बढ़ना चाहता है, तो एम्पलीफायर इनपुट पर एक वोल्टेज बन जाएगा। समान मात्रा में नकारात्मक फीडबैक नेटवर्क चार्ज करंट, अर्थात् आरएफबी और सीएफबी को खींचने या खींचने से, इस वोल्टेज की तुरंत भरपाई हो जाती है।

पाना

क्योंकि एम्पलीफायर का सिग्नल इनपुट वर्चुअल ग्राउंड है, इनपुट करंट एक प्रकार का आउटपुट वोल्टेज स्विंग बनाता है; और उच्च-आवृत्ति लाभ सीएफबी के मूल्य से निर्धारित होता है (आरएफबी प्रभाव कम हो जाता है, जिसे बाद में 'बैंडविड्थ' भाग में वर्णित किया जाएगा)। कृपया ध्यान दें कि कैपेसिटेंस जितना छोटा होगा। यह भी ध्यान दें कि सर्किट का लाभ अल्ट्रासोनिक सेंसर की कैपेसिटेंस (सीडी) पर बिल्कुल भी निर्भर नहीं करता है, लेकिन शोर पर इस मान के प्रभाव पर ध्यान देना बेहतर है।

बैंडविड्थ

एम्पलीफायर को सही ढंग से बायस करने में सक्षम होने के लिए (एम्प्लीफायर इनपुट बायस करंट के लिए एक डीसी पथ प्रदान करें), एक फीडबैक रेसिस्टर (आरएफ) की आवश्यकता होती है। कम आवृत्तियों पर, फीडबैक पथ का कैपेसिटिव सर्किट एक खुला सर्किट बन जाता है, और फीडबैक प्रतिरोध मुख्य प्रतिरोध बन जाता है, जिससे प्रभावी रूप से लाभ कम हो जाता है। उच्च आवृत्तियों पर, संधारित्र सर्किट की प्रतिबाधा छोटी हो जाती है, जिससे प्रतिरोध प्रतिक्रिया पथ के प्रभाव को प्रभावी ढंग से समाप्त कर दिया जाता है। एसी भौतिक उत्तेजना (सेंसर की परजीवी समाई सहित) के लिए अंतिम सर्किट प्रतिक्रिया उच्च-पास फिल्टर की प्रतिक्रिया है।

प्रासंगिक सिग्नल बैंडविड्थ एप्लिकेशन द्वारा निर्धारित किया जाता है। इसलिए, लाभ बढ़ाने के लिए धारिता को कम करते समय, ध्रुव आवृत्ति को कम रखने के लिए प्रतिरोध को बढ़ाना भी आवश्यक है। प्रतिरोध जोड़ने से समाधान के अन्य पहलू प्रभावित होंगे। शोर को प्रभावित करने के अलावा ('शोर' अनुभाग में विस्तार से वर्णित), प्रतिरोध जितना अधिक होगा, वास्तव में इसे लागू करना उतना ही कठिन होगा - एक तैयार प्रतिरोध ढूंढना और यह सुनिश्चित करना मुश्किल है कि परजीवी प्रतिरोध का पता लगाने के लिए पीसीबी ट्रेस आरएफबी से अधिक है। यदि सर्किट विनिर्देश प्रतिरोधों के उपयोग की अनुमति देते हैं, तो सतह माउंट प्रतिरोधों का तुरंत उपयोग किया जा सकता है, और उन्नत लेआउट तकनीकों (जैसे गार्ड बैंड का उपयोग, आदि) की आवश्यकता नहीं है।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, इसे सीमित करने वाला एक अन्य कारक पीजो सिरेमिक सिलेंडर के प्रतिरोध में वृद्धि सर्किट पूर्वाग्रह है। एम्पलीफायर का इनपुट बायस करंट अवरोधक के माध्यम से आउटपुट बायस वोल्टेज बनाता है। इस वोल्टेज को कम इनपुट पूर्वाग्रह धाराओं वाले एम्पलीफायरों, जैसे एफईटी इनपुट एम्पलीफायरों को चुनकर कम किया जा सकता है। जब तक फीडबैक अवरोधक मान 1GΩ से कम है, और चरणों के बीच एसी युग्मन का उपयोग उत्पन्न ऑफसेट को फ़िल्टर करने के लिए किया जा सकता है, तब तक इस एम्पलीफायर के इनपुट बायस करंट (आमतौर पर 100pA से कम) में कोई समस्या नहीं होनी चाहिए।

कृपया ध्यान दें कि हाई-पास फिल्टर को कम आवृत्ति पर रखने की कठिनाई के कारण, निकट डीसी अनुप्रयोगों में पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर का उपयोग करना अधिक कठिन होता जा रहा है (हालाँकि सेंसर का लीकेज करंट स्वयं बहुत छोटा है)।

यद्यपि यह प्रवर्धन चरण का हिस्सा नहीं है, फिर भी संबंधित आवृत्ति बैंड में कुल डिजिटलीकरण और अलियासिंग शोर को कम करते हुए, अल्ट्रासोनिक सेंसर की अनुनाद आवृत्ति पर अवांछित संकेतों के प्रति सर्किट की प्रतिक्रिया को कम करने के लिए एक कम-पास फ़िल्टर को जोड़ने की आवश्यकता होती है।