Pengkondisian sinyal sensor ultrasonik piezoelektrik

Sensor piezoelektrik

Penerapan sensor piezoelektrik untuk penginderaan dan eksitasi meluas ke banyak bidang. Artikel ini terutama memperkenalkan induksi beberapa intensitas fisik, yaitu percepatan, getaran, osilasi, dan tekanan, yang dapat dianggap serupa dari sudut pandang sensor dan penyesuaian sinyal yang diperlukan. Dalam hal percepatan, sensitivitas sensor ultrasonik biasanya dinyatakan sebagai muatan yang sebanding dengan gaya atau percepatan eksternal (sebagian besar disebut percepatan gravitasi). Namun, dalam arti fisik yang ketat, sensor ultrasonik mengeluarkan muatan yang sebenarnya ditentukan oleh deformasi/defleksinya. Menampilkan a sensor keramik piezo dipasang pada posisi atas, sedangkan bagian bawah ditarik oleh gaya luar. Dalam hal menggunakan akselerometer, ujung tetap (atas) akan menempel pada benda yang akan diukur percepatannya, dan pada saat yang sama gaya luar adalah inersia massa yang menempel pada ujung yang lain (bawah), dan ujung ini terus-menerus ingin tetap diam. Sejauh sistem koordinat referensi ditetapkan di bagian atas (dengan asumsi bahwa sensor bertindak sebagai pegas dengan konstanta pegas K yang tinggi), defleksi x akan membentuk gaya reaksi:

Fint = Kx (1)

Pada akhirnya, massa (sensor ultrasonik) akan berhenti bergerak/berubah dalam kondisi berikut:

Fint = Fext = Kx (2)

Karena muatan Q sebanding dengan defleksi (orde pertama), dan defleksi sebanding dengan gaya, maka Q juga sebanding dengan gaya. Gaya sinusoidal dengan nilai maksimum Fmax akan membentuk muatan sinusoidal dengan nilai maksimum Qmax. Dengan kata lain, ketika gaya sinus berada pada nilai maksimum maka arus dari sensor dapat diintegrasikan untuk mendapatkan Qmax. Meningkatkan frekuensi gelombang sinus akan meningkatkan arus; tetapi akan mencapai puncaknya lebih cepat, yaitu menjaga integral (Qmax) tetap konstan. rentang frekuensi sensor ultrasonik untuk menentukan spesifikasi sensitivitas. Namun karena sifat mekanik sensor, sensor sebenarnya memiliki frekuensi resonansi (di atas rentang frekuensi yang dapat digunakan), dan gaya osilasi yang kecil pun akan menghasilkan defleksi yang relatif besar, sehingga menghasilkan amplitudo keluaran yang besar. Jika kita mengabaikan efek resonansi, kita dapat memodelkan sensor piezoelektrik sebagai sumber arus secara paralel dengan kapasitansi parasit dari sensor (selanjutnya disebut Cd), atau memodelkannya sebagai sumber tegangan yang dirangkai secara seri dengan Cd. Tegangan ini merupakan tegangan ekuivalen yang terlihat pada anoda sensor saat menyimpan muatan. Namun, kita perlu memperhatikan fakta bahwa metode kedua lebih sederhana dalam hal simulasi banyak aplikasi. Seperti disebutkan sebelumnya, arus sebanding dengan laju perubahan kemiringan; untuk kurva AC sinusoidal dengan percepatan amplitudo konstan, amplitudo generator arus harus diubah sesuai frekuensi.

Terakhir, jika generator tersebut perlu mewakili sinyal fisik sebenarnya, transformator dapat digunakan. Dalam contoh ini, kami memodelkan generator dengan sensitivitas 0,5pC/g dan kapasitansi parasit 500pF. Generator gelombang sinus mengeluarkan 1V per unit g untuk mewujudkan simulasi. Trafo menyesuaikannya hingga 1mV di kumparan sekundernya. Ayunan 1mV akan disuntikkan pada tahap berikutnya seperti yang kita harapkan Q = VC = 0,5 pC.

Analisis penguat muatan

Menampilkan prinsip dasar penguat muatan klasik, yang dapat digunakan sebagai rangkaian pengkondisi sinyal. Dalam hal ini, kami memilih model sumber saat ini, yang menunjukkan bahwa sensor ultrasonik pada dasarnya adalah perangkat dengan impedansi keluaran tinggi.

resistansi masukan

Rangkaian pengkondisi sinyal dari transduser cakram keramik piezo

harus memiliki impedansi masukan yang tidak rendah untuk mengumpulkan sebagian besar keluaran muatan sensor. Oleh karena itu, penguat muatan adalah solusi ideal, karena selama penguat mempertahankan penguatan tinggi pada frekuensi sinyal ini, masukannya akan menyebabkan sinyal sensor muncul di tanah virtual. Dengan kata lain, jika ada muatan sensor yang ingin dinaikkan pada anoda sensor (Cd) atau kapasitansi parasit masukan penguat (Ca), maka akan terbentuk tegangan pada masukan penguat. Dengan menarik atau menarik arus muatan jaringan umpan balik negatif dalam jumlah yang sama, yaitu RFB dan CFB, tegangan ini segera dikompensasi.

Memperoleh

Karena masukan sinyal penguat adalah ground virtual, arus masukan membentuk semacam ayunan tegangan keluaran; dan penguatan frekuensi tinggi ditentukan oleh nilai CFB (pengaruh RFB dikurangi, yang akan dijelaskan nanti di bagian 'bandwidth'). Perlu diketahui bahwa semakin kecil kapasitansinya. Perhatikan juga bahwa penguatan rangkaian tidak bergantung pada kapasitansi (Cd) sensor ultrasonik sama sekali, tetapi lebih baik memperhatikan pengaruh nilai ini terhadap kebisingan.

lebar pita

Agar dapat membiaskan penguat dengan benar (menyediakan jalur DC untuk arus bias masukan penguat), diperlukan resistor umpan balik (Rf). Pada frekuensi yang lebih rendah, rangkaian kapasitif dari jalur umpan balik menjadi rangkaian terbuka, dan resistansi umpan balik menjadi resistansi utama, sehingga secara efektif mengurangi penguatan. Pada frekuensi yang lebih tinggi, impedansi rangkaian kapasitor menjadi lebih kecil, sehingga secara efektif menghilangkan pengaruh jalur umpan balik resistansi. Respon rangkaian terakhir terhadap eksitasi fisik AC (termasuk kapasitansi parasit sensor) adalah respons filter high-pass.

Bandwidth sinyal yang relevan ditentukan oleh aplikasi. Oleh karena itu, selain mengurangi kapasitansi untuk meningkatkan penguatan, resistansi juga perlu ditingkatkan untuk menjaga frekuensi kutub tetap rendah. Menambah resistensi akan mempengaruhi aspek lain dari solusi. Selain mempengaruhi kebisingan (dijelaskan secara rinci di bagian 'kebisingan'), semakin tinggi resistansi, semakin sulit untuk menerapkannya-sulit untuk menemukan resistansi siap pakai dan untuk memastikan bahwa jejak PCB untuk melacak resistensi parasit lebih besar dari RFB itu sendiri. Jika spesifikasi rangkaian memungkinkan penggunaan resistor sebesar , resistor pemasangan di permukaan dapat segera digunakan, dan teknik tata letak tingkat lanjut (seperti penggunaan pita pelindung, dll.) tidak diperlukan.

Seperti disebutkan sebelumnya, faktor lain yang membatasi silinder keramik piezo adalah bias rangkaian. peningkatan resistensi Arus bias masukan penguat membentuk tegangan bias keluaran melalui resistor. Tegangan ini dapat diminimalkan dengan memilih amplifier dengan arus bias input rendah, seperti amplifier input FET. Selama nilai resistor umpan balik kurang dari 1GΩ, dan kopling AC antar tahapan dapat digunakan untuk menyaring offset yang dihasilkan, maka arus bias masukan penguat ini (umumnya kurang dari 100pA) seharusnya tidak menjadi masalah.

Harap dicatat bahwa karena sulitnya menjaga frekuensi rendah filter lolos tinggi, penggunaan sensor piezoelektrik dalam aplikasi dekat DC menjadi semakin sulit (walaupun arus bocor dari sensor itu sendiri sangat kecil).

Meskipun ini bukan bagian dari tahap amplifikasi, filter low-pass perlu ditambahkan di suatu tempat untuk mengurangi respons rangkaian terhadap sinyal yang tidak diinginkan pada frekuensi resonansi sensor ultrsonik, sekaligus mengurangi digitalisasi total dan kebisingan aliasing pada pita frekuensi yang relevan.