Condizionamento del segnale di sensori ad ultrasuoni piezoelettrici

Sensore piezoelettrico

L'applicazione dei sensori piezoelettrici per il rilevamento e l'eccitazione si estende a molte aree. Questo articolo introduce principalmente l'induzione di alcune intensità fisiche, vale a dire accelerazione, vibrazione, oscillazione e pressione, che possono essere considerate simili dal punto di vista del sensore e della regolazione del segnale richiesta. In termini di accelerazione, la sensibilità del sensore a ultrasuoni è solitamente espressa come una carica proporzionale alla forza o accelerazione esterna (chiamata, nella maggior parte dei casi, accelerazione dovuta alla gravità). Tuttavia, in senso strettamente fisico, il sensore a ultrasuoni emette una carica che in realtà è determinata dalla sua deformazione/deflessione. Mostrando a sensore piezoceramico installato nella posizione superiore, mentre la parte inferiore viene tirata da una forza esterna. Nel caso di utilizzo di un accelerometro, l'estremità fissa (in alto) aderisce all'oggetto da misurare con l'accelerazione e, allo stesso tempo, la forza esterna è l'inerzia della massa che aderisce all'altra estremità (in basso), e questa estremità vuole rimanere costantemente ferma. Finché il sistema di coordinate di riferimento è fissato in alto (supponendo che il sensore agisca come una molla con un'elevata costante elastica K), la deflessione x formerà una forza di reazione:

Fint = Kx (1)

Alla fine, la massa (sensore a ultrasuoni) smetterà di muoversi/cambiare nelle seguenti condizioni:

Fint = Fest = Kx (2)

Poiché la carica Q è proporzionale alla deflessione (primo ordine) e la deflessione è proporzionale alla forza, anche Q è proporzionale alla forza. Una forza sinusoidale con un valore massimo di Fmax formerà una carica sinusoidale con un valore massimo di Qmax. In altre parole, quando la forza sinusoidale è al suo valore massimo, la corrente proveniente dal sensore può essere integrata per ottenere Qmax. Aumentando la frequenza dell'onda sinusoidale aumenterà la corrente; ma raggiungerà il picco più velocemente, cioè mantenendo costante l'integrale (Qmax). gamma di frequenza del sensore a ultrasuoni per specificare le specifiche di sensibilità. Tuttavia, a causa delle proprietà meccaniche del sensore, il sensore ha effettivamente una frequenza di risonanza (al di sopra dell'intervallo di frequenza utilizzabile) e anche una piccola forza di oscillazione produrrà una deflessione relativamente grande, con conseguente grande ampiezza di uscita. Se ignoriamo l'effetto della risonanza, possiamo modellare il sensore piezoelettrico come una sorgente di corrente in parallelo con la capacità parassita del sensore (qui denominata Cd), o modellarlo come una sorgente di tensione in serie con Cd. Questa tensione è la tensione equivalente vista sull'anodo del sensore durante l'immagazzinamento della carica. Bisogna però fare attenzione al fatto che il secondo metodo è più semplice in termini di simulazione di molte applicazioni. Come accennato in precedenza, la corrente è proporzionale alla velocità di variazione del disallineamento; per una curva AC sinusoidale con accelerazione ad ampiezza costante, l'ampiezza del generatore di corrente deve essere modificata in base alla frequenza.

Infine, se tale generatore deve rappresentare il segnale fisico reale, è possibile utilizzare un trasformatore. In questo esempio, abbiamo modellato un generatore con sensibilità di 0,5 pC/g e capacità parassita di 500 pF. Il generatore di onde sinusoidali emette 1 V per unità g per realizzare la simulazione. Il trasformatore lo regola fino a 1 mV nella sua bobina secondaria. L'oscillazione di 1 mV verrà iniettata nella fase successiva come previsto Q = VC = 0,5 pC.

Analisi dell'amplificatore di carica

Mostra il principio di base di un classico amplificatore di carica, che può essere utilizzato come circuito di condizionamento del segnale. In questo caso scegliamo il modello con sorgente di corrente, indicando che il sensore a ultrasuoni è principalmente un dispositivo con elevata impedenza di uscita.

resistenza di ingresso

Il circuito di condizionamento del segnale di trasduttore piezoelettrico a disco ceramico

deve avere un'impedenza di ingresso non bassa per raccogliere la maggior parte della carica in uscita dal sensore. Pertanto, un amplificatore di carica è una soluzione ideale, poiché finché l'amplificatore mantiene un guadagno elevato a queste frequenze di segnale, il suo ingresso farà sì che il segnale del sensore appaia come massa virtuale. In altre parole, se una qualsiasi carica del sensore vuole aumentare sull'anodo del sensore (Cd) o sulla capacità parassita di ingresso dell'amplificatore (Ca), si formerà una tensione all'ingresso dell'amplificatore. Tirando o assorbendo la stessa quantità di corrente di carica della rete a feedback negativo, vale a dire RFB e CFB, questa tensione viene immediatamente compensata.

Guadagno

Poiché l'ingresso del segnale dell'amplificatore è una massa virtuale, la corrente di ingresso forma una sorta di oscillazione della tensione di uscita; e il guadagno delle alte frequenze è impostato dal valore di CFB (l'influenza RFB è ridotta, come verrà descritto più avanti nella parte 'larghezza di banda'). Si noti che minore è la capacità. Si noti inoltre che il guadagno del circuito non dipende affatto dalla capacità (Cd) del sensore a ultrasuoni, ma è meglio prestare attenzione all'effetto di questo valore sul rumore.

larghezza di banda

Per poter polarizzare correttamente l'amplificatore (fornire un percorso CC per la corrente di polarizzazione in ingresso dell'amplificatore), è necessario un resistore di feedback (Rf). A frequenze più basse, il circuito capacitivo del percorso di feedback diventa un circuito aperto e la resistenza di feedback diventa la resistenza principale, riducendo così efficacemente il guadagno. A frequenze più elevate, l'impedenza del circuito del condensatore diminuisce, eliminando così di fatto l'influenza del percorso di retroazione della resistenza. La risposta finale del circuito all'eccitazione fisica CA (inclusa la capacità parassita del sensore) è la risposta del filtro passa-alto.

La larghezza di banda del segnale rilevante è determinata dall'applicazione. Pertanto, mentre si riduce la capacità per aumentare il guadagno, è necessario anche aumentare la resistenza per mantenere bassa la frequenza dei poli. L'aggiunta di resistenza influenzerà altri aspetti della soluzione. Oltre a influenzare il rumore (descritto in dettaglio nella sezione 'rumore'), maggiore è la resistenza, più difficile è effettivamente implementarla: è difficile trovare una resistenza già pronta e garantire che la traccia del PCB per tracciare la resistenza parassita sia maggiore della RFB stessa. Se le specifiche del circuito consentono l'uso di resistori da , i resistori a montaggio superficiale possono essere utilizzati immediatamente e non sono necessarie tecniche di layout avanzate (come l'uso di bande di guardia, ecc.).

Come accennato in precedenza, un altro fattore limitante Gli aumenti di resistenza del cilindro piezo-ceramico sono dovuti alla polarizzazione del circuito. La corrente di polarizzazione in ingresso dell'amplificatore forma una tensione di polarizzazione in uscita attraverso il resistore. Questa tensione può essere ridotta al minimo scegliendo amplificatori con basse correnti di polarizzazione in ingresso, come gli amplificatori di ingresso FET. Finché il valore del resistore di retroazione è inferiore a 1 GΩ e l'accoppiamento CA tra gli stadi può essere utilizzato per filtrare l'offset generato, la corrente di polarizzazione in ingresso di questo amplificatore (generalmente inferiore a 100 pA) non dovrebbe costituire un problema.

Si tenga presente che, a causa della difficoltà di mantenere il filtro passa-alto a bassa frequenza, sta diventando sempre più difficile utilizzare sensori piezoelettrici in applicazioni prossime alla corrente continua (sebbene la corrente di dispersione del sensore stesso sia molto piccola).

Sebbene non faccia parte dello stadio di amplificazione, è necessario aggiungere un filtro passa-basso da qualche parte per ridurre la risposta del circuito ai segnali indesiderati alla frequenza di risonanza del sensore ultrasonico, riducendo al tempo stesso la digitalizzazione totale e il rumore di aliasing nella banda di frequenza rilevante.