圧電超音波センサーの信号調整

圧電センサー

感知と励起のための圧電センサーの応用は多くの分野に広がっています。この記事では、主にいくつかの物理的強度、つまり加速度、振動、振動、圧力の誘発について紹介します。これらは、センサーとその必要な信号調整の観点からは同様であると考えられます。加速度に関しては、超音波センサーの感度は通常、外力または加速度 (ほとんどの場合重力による加速度と呼ばれます) に比例する電荷として表されます。ただし、厳密な物理的意味では、超音波センサーは実際にはその変形/たわみによって決定される電荷​​を出力します。を表示しています ピエゾセラミックセンサー を上部に設置し、下部を外力により引っ張ります。加速度計を使用する場合、加速度は測定対象物に固定端（上）がくっつきますが、同時に外力は他端（下）に付着している質量の慣性であり、こちら側は常に静止しようとします。基準座標系が上部に固定されている限り (センサーが高いバネ定数 K を持つバネとして機能すると仮定して)、たわみ x によって反力が形成されます。

Fint = Kx (1)

最終的に、質量 (超音波センサー ) は、次の条件下で移動/変化を停止します。

Fint = Fext = Kx (2)

電荷 Q はたわみ (1 次) に比例し、たわみは力に比例するため、Q も力に比例します。最大値 Fmax の正弦波力は、最大値 Qmax の正弦波電荷を形成します。言い換えれば、正弦力が最大値にあるとき、センサーからの電流を積分して Qmax を得ることができます。正弦波の周波数を上げると電流が増加します。ただし、積分 (Qmax) を一定に保つと、より早くピークに達します。超音波センサーの周波数範囲を指定して感度仕様を指定します。ただし、センサーの機械的特性により、センサーには実際には共振周波数 (使用可能な周波数範囲を超える) があり、小さな振動力でも比較的大きなたわみが発生し、大きな出力振幅が生じます。共振の影響を無視する場合、圧電センサーをセンサーの寄生容量 (ここでは Cd と呼びます) と並列の電流源としてモデル化するか、圧電センサーをセンサーと直列の電圧源としてモデル化できます。 CD 。この電圧は、電荷を蓄積するときにセンサーのアノードに見られる等価電圧です。ただし、多くのアプリケーションのシミュレーションという点では 2 番目の方法の方が簡単であるという事実に注意する必要があります。前述したように、電流はスキュー変化率に比例します。一定振幅の加速度を伴う正弦波 AC 曲線の場合、電流発生器の振幅は周波数に応じて変更する必要があります。

最後に、そのようなジェネレーターが実際の物理信号を表す必要がある場合は、トランスフォーマーを使用できます。この例では、0.5pC/g の感度と 500pF の寄生容量を持つ発生器をモデル化しました。正弦波発生器はシミュレーションを実現するために単位 g あたり 1V を出力します。変圧器は二次コイルでそれを 1mV まで調整します。 Q = VC = 0.5 pC と予想したように、1mV スイングは次のステージで注入されます。

チャージアンプの解析

信号調整回路として使用できる、古典的なチャージアンプの基本原理を示します。この場合、電流源モデルを選択します。これは、超音波センサーが主に出力インピーダンスが高いデバイスであることを示しています。

入力抵抗

の信号調整回路 圧電セラミックディスクトランスデューサ

センサーの電荷出力の大部分を収集するには、低くない入力インピーダンスが必要です。したがって、チャージアンプがこれらの信号周波数で高いゲインを維持する限り、その入力によってセンサー信号が仮想グラウンドに見えるため、チャージアンプは理想的なソリューションとなります。言い換えれば、センサーの電荷がセンサーのアノード (Cd) またはアンプの入力寄生容量 (Ca) 上で増加すると、アンプの入力に電圧が形成されます。同じ量の負帰還ネットワーク充電電流、つまり RFB と CFB を引き出すか引き込むことにより、この電圧は即座に補償されます。

得

アンプの信号入力は仮想グランドであるため、入力電流は一種の出力電圧スイングを形成します。高周波ゲインは CFB の値によって設定されます (RFB の影響は軽減されます。これについては「帯域幅」の部分で後述します)。また、回路ゲインは超音波センサーの静電容量(Cd)には全く依存しませんが、この値によるノイズへの影響には注意した方がよいでしょう。

帯域幅

アンプを正しくバイアスできるようにするには (アンプの入力バイアス電流に DC パスを提供するには)、フィードバック抵抗 (Rf) が必要です。より低い周波数では、フィードバック経路の容量性回路が開回路になり、フィードバック抵抗が主抵抗となり、ゲインが効果的に低下します。より高い周波数では、コンデンサ回路のインピーダンスが小さくなり、それによって抵抗帰還経路の影響が効果的に排除されます。 AC 物理的励起 (センサーの寄生容量を含む) に対する最終的な回路応答は、ハイパス フィルターの応答です。

関連する信号帯域幅はアプリケーションによって決定されます。したがって、ゲインを高めるために静電容量を減らす一方で、ポール周波数を低く保つために抵抗を増やすことも必要です。抵抗を追加すると、ソリューションの他の側面に影響します。ノイズに影響を与えるだけでなく (「ノイズ」セクションで詳しく説明します)、抵抗が高くなるほど、実際に実装することが難しくなります。既製の抵抗を見つけたり、寄生抵抗をトレースする PCB の配線が RFB 自体よりも大きくなるようにするのは困難です。回路仕様で の抵抗器の使用が許可されている場合は、表面実装抵抗器をすぐに使用でき、高度なレイアウト技術 (ガードバンドの使用など) は必要ありません。

前述したように、制限を制限するもう 1 つの要因は、 ピエゾセラミックシリンダーの 抵抗増加は回路バイアスです。アンプの入力バイアス電流は、抵抗を介して出力バイアス電圧を形成します。この電圧は、FET 入力アンプなどの入力バイアス電流が低いアンプを選択することで最小限に抑えることができます。フィードバック抵抗値が 1GΩ 未満であり、ステージ間の AC 結合を使用して生成されたオフセットをフィルタリングできる限り、このアンプの入力バイアス電流 (通常は 100pA 未満) は問題ありません。

ハイパスフィルターを低周波に保つことが難しいため、DC 付近のアプリケーションで圧電センサーを使用することがますます困難になっていることに注意してください (センサー自体の漏れ電流は非常に小さいですが)。

これは増幅段の一部ではありませんが、超音波センサーの共振周波数での不要な信号に対する回路の応答を低減すると同時に、関連する周波数帯域での総デジタル化とエイリアシング ノイズを低減するために、どこかにローパス フィルターを追加する必要があります。