Kondicioniranje signala piezoelektričnih ultrazvučnih senzora

Piezoelektrični senzor

Primjena piezoelektričnih senzora za očitavanje i pobudu proteže se na mnoga područja. Ovaj članak uglavnom predstavlja indukciju nekih fizičkih intenziteta, naime ubrzanja, vibracija, oscilacija i tlaka, koji se mogu smatrati sličnim iz perspektive senzora i njegove potrebne prilagodbe signala. U smislu ubrzanja, osjetljivost ultrazvučnog senzora obično se izražava kao naboj proporcionalan vanjskoj sili ili ubrzanju (koji se većinu vremena naziva ubrzanje gravitacije). Međutim, u strogom fizičkom smislu, ultrazvučni senzor daje naboj koji je zapravo određen njegovom deformacijom/otklonom. Prikaz a piezo keramički senzor postavljen na gornju poziciju, dok je donji povučen vanjskom silom. U slučaju korištenja akcelerometra, fiksni kraj (gornji) će se zalijepiti za objekt kojemu se mjeri ubrzanje, au isto vrijeme vanjska sila je inercija mase koja prianja na drugi kraj (donji), a taj kraj stalno želi ostati miran. Dok je referentni koordinatni sustav fiksiran na vrhu (pod pretpostavkom da senzor djeluje kao opruga s visokom konstantom opruge K), otklon x će tvoriti reakcijsku silu:

Fint = Kx (1)

U konačnici, masa (ultrazvučni senzor) će se prestati kretati/mijenjati pod sljedećim uvjetima:

Fint = Fext = Kx (2)

Budući da je naboj Q proporcionalan otklonu (prvi red), a otklon je proporcionalan sili, Q je također proporcionalan sili. Sinusoidalna sila s maksimalnom vrijednošću Fmax formirat će sinusoidalni naboj s maksimalnom vrijednošću Qmax. Drugim riječima, kada je sinusna sila na svojoj najvećoj vrijednosti, struja iz senzora može se integrirati da se dobije Qmax. Povećanje frekvencije sinusnog vala će povećati struju; ali će brže doći do vrha, odnosno zadržavajući integral (Qmax) konstantnim. frekvencijski raspon ultrazvučnog senzora za određivanje specifikacije osjetljivosti. Međutim, zbog mehaničkih svojstava senzora, senzor zapravo ima rezonantnu frekvenciju (iznad upotrebljivog frekvencijskog raspona), pa će čak i mala sila oscilacije proizvesti relativno veliki otklon, što će rezultirati velikom izlaznom amplitudom. Ako zanemarimo učinak rezonancije, možemo modelirati piezoelektrični senzor kao izvor struje paralelno s parazitskim kapacitetom senzora (ovdje se naziva Cd), ili ga modelirati kao izvor napona u seriji s Cd . Ovaj napon je ekvivalentni napon koji se vidi na anodi senzora prilikom pohranjivanja naboja. Međutim, moramo obratiti pozornost na činjenicu da je druga metoda jednostavnija u smislu simulacije mnogih aplikacija. Kao što je ranije spomenuto, struja je proporcionalna brzini promjene zakrivljenosti; za sinusoidnu izmjeničnu krivulju s ubrzanjem konstantne amplitude, amplituda generatora struje mora se mijenjati prema frekvenciji.

Konačno, ako takav generator treba predstavljati stvarni fizički signal, može se koristiti transformator. U ovom smo primjeru modelirali generator s osjetljivošću od 0,5 pC/g i parazitskim kapacitetom od 500 pF. Generator sinusnog vala daje 1 V po jedinici g za realizaciju simulacije. Transformator ga prilagođava na 1 mV u svom sekundarnom svitku. Zamah od 1 mV bit će ubrizgan u sljedećoj fazi kako smo očekivali Q = VC = 0,5 pC.

Analiza pojačivača naboja

Prikaz osnovnog principa klasičnog pojačala naboja, koje se može koristiti kao sklop za kondicioniranje signala. U ovom slučaju odabiremo model izvora struje, što ukazuje da je ultrazvučni senzor uglavnom uređaj s visokom izlaznom impedancijom.

ulazni otpor

Krug za kondicioniranje signala piezo keramički disk pretvornik

mora imati ulaznu impedanciju koja nije niska za prikupljanje većine izlaznog naboja senzora. Stoga je pojačalo naboja idealno rješenje, jer sve dok pojačalo održava visoko pojačanje na ovim frekvencijama signala, njegov će ulaz uzrokovati da se signal senzora čini virtualnom masom. Drugim riječima, ako bilo koji naboj senzora želi povećati na anodi senzora (Cd) ili parazitnom kapacitetu ulaza pojačala (Ca), napon će se formirati na ulazu pojačala. Povlačenjem ili izvlačenjem iste količine struje mrežnog punjenja s negativnom povratnom spregom, naime RFB i CFB, ovaj se napon odmah kompenzira.

dobitak

Budući da je ulaz signala pojačala virtualna masa, ulazna struja tvori neku vrstu ljuljačke izlaznog napona; a visokofrekventno pojačanje je postavljeno vrijednošću CFB (utjecaj RFB je smanjen, što će biti opisano kasnije u dijelu 'širina pojasa'). Imajte na umu da što je manji kapacitet. Također imajte na umu da pojačanje kruga uopće ne ovisi o kapacitetu (Cd) ultrazvučnog senzora, ali je bolje obratiti pozornost na učinak ove vrijednosti na šum.

propusnost

Kako bi se moglo ispravno prednaponsko pojačalo (osigurati istosmjerni put za ulaznu prednaponsku struju pojačala), potreban je povratni otpornik (Rf). Na nižim frekvencijama, kapacitivni krug povratne veze postaje otvoreni krug, a otpor povratne veze postaje glavni otpor, čime se učinkovito smanjuje pojačanje. Na višim frekvencijama, impedancija kruga kondenzatora postaje manja, čime se učinkovito eliminira utjecaj povratne veze otpora. Konačni odgovor kruga na izmjeničnu fizičku pobudu (uključujući parazitski kapacitet senzora) je odgovor visokopropusnog filtra.

Relevantnu propusnost signala određuje aplikacija. Stoga, dok se smanjuje kapacitet kako bi se povećao dobitak, također je potrebno povećati otpor kako bi se frekvencija pola održala niskom. Dodavanje otpora utjecat će na druge aspekte rješenja. Osim utjecaja na buku (detaljno opisanu u odjeljku 'buka'), što je otpor veći, to ga je teže stvarno implementirati - teško je pronaći gotov otpor i osigurati da je parazitski otpor PCB traga do traga veći od samog RFB-a. Ako specifikacije kruga dopuštaju upotrebu otpornika od , otpornici za površinsku montažu mogu se koristiti odmah, a napredne tehnike rasporeda (kao što je upotreba zaštitnih traka, itd.) nisu potrebne.

Kao što je ranije spomenuto, još jedan ograničavajući faktor piezo keramički cilindar povećanje otpora je pristranost kruga. Ulazna prednapon pojačala stvara izlazni prednapon kroz otpornik. Ovaj napon se može minimizirati odabirom pojačala s niskom ulaznom prednaponskom strujom, kao što su FET ulazna pojačala. Sve dok je vrijednost otpornika povratne veze manja od 1 GΩ, a AC spoj između stupnjeva može se koristiti za filtriranje generiranog pomaka, tada ulazna prednaponska struja ovog pojačala (općenito manja od 100 pA) ne bi trebala predstavljati problem.

Imajte na umu da zbog poteškoća u održavanju niske frekvencije visokopropusnog filtra, postaje sve teže koristiti piezoelektrične senzore u primjenama blizu istosmjerne struje (iako je struja curenja samog senzora vrlo mala).

Iako nije dio stupnja pojačanja, niskopropusni filtar treba negdje dodati kako bi se smanjio odgovor kruga na neželjene signale na frekvenciji rezonancije ultrazvučnog senzora, dok se smanjuje ukupna buka digitalizacije i aliasinga u relevantnom frekvencijskom pojasu.