Penyaman isyarat penderia ultrasonik piezoelektrik

Penderia piezoelektrik

Aplikasi penderia piezoelektrik untuk penderiaan dan pengujaan meluas ke banyak kawasan. Artikel ini terutamanya memperkenalkan induksi beberapa keamatan fizikal, iaitu pecutan, getaran, ayunan dan tekanan, yang boleh dianggap serupa dari perspektif sensor dan pelarasan isyarat yang diperlukan. Dari segi pecutan, kepekaan sensor ultrasonik biasanya dinyatakan sebagai cas yang berkadar dengan daya luar atau pecutan (dipanggil pecutan disebabkan graviti pada kebanyakan masa). Walau bagaimanapun, dalam erti kata fizikal yang ketat, sensor ultrasonik mengeluarkan cas yang sebenarnya ditentukan oleh ubah bentuk/pesongannya. Menunjukkan a sensor seramik piezo dipasang di kedudukan atas, manakala bahagian bawah ditarik oleh daya luaran. Dalam kes menggunakan pecutan, hujung tetap (atas) akan melekat pada objek yang hendak diukur pecutan, dan pada masa yang sama Daya luaran ialah inersia jisim yang melekat pada hujung yang lain (bawah), dan hujung ini sentiasa mahu kekal diam. Setakat sistem koordinat rujukan ditetapkan di bahagian atas (dengan mengandaikan bahawa penderia bertindak sebagai spring dengan pemalar spring tinggi K), pesongan x akan membentuk daya tindak balas:

Fint = Kx (1)

Akhirnya, jisim (penderia ultrasonik ) akan berhenti bergerak/berubah di bawah keadaan berikut:

Fint = Fext = Kx (2)

Oleh kerana cas Q adalah berkadar dengan pesongan (perintah pertama), dan pesongan adalah berkadar dengan daya, Q juga berkadar dengan daya. Daya sinusoidal dengan nilai maksimum Fmax akan membentuk cas sinusoidal dengan nilai maksimum Qmax. Dengan kata lain, apabila daya sinus berada pada nilai maksimumnya, arus dari sensor boleh disepadukan untuk mendapatkan Qmax. Meningkatkan kekerapan gelombang sinus akan meningkatkan arus; tetapi ia akan mencapai puncak dengan lebih cepat, iaitu, mengekalkan kamiran (Qmax) malar. julat frekuensi sensor ultrasonik untuk menentukan spesifikasi sensitiviti. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh sifat mekanikal penderia, penderia sebenarnya mempunyai frekuensi resonans (melebihi julat frekuensi yang boleh digunakan), malah daya ayunan yang kecil akan menghasilkan pesongan yang agak besar, menghasilkan amplitud keluaran yang besar. Jika kita mengabaikan kesan resonans, kita boleh memodelkan penderia piezoelektrik sebagai sumber arus selari dengan kapasitans voltan parasit (diherenkan dengan model C) sebagai sumber penderia (diherenkan model C) Cd . Voltan ini ialah voltan setara yang dilihat pada anod sensor apabila menyimpan cas. Walau bagaimanapun, kita perlu memberi perhatian kepada fakta bahawa kaedah kedua adalah lebih mudah dari segi simulasi banyak aplikasi. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, arus adalah berkadar dengan kadar perubahan condong; untuk lengkung AC sinusoidal dengan pecutan amplitud malar, amplitud penjana arus mesti diubah mengikut frekuensi.

Akhir sekali, jika penjana sedemikian perlu mewakili isyarat fizikal sebenar, pengubah boleh digunakan. Dalam contoh ini, kami memodelkan penjana dengan kepekaan 0.5pC/g dan kapasitans parasit 500pF. Penjana gelombang sinus mengeluarkan 1V per unit g untuk merealisasikan simulasi. Transformer melaraskannya kepada 1mV dalam gegelung sekundernya. Ayunan 1mV akan disuntik pada peringkat seterusnya seperti yang kami jangkakan Q = VC = 0.5 pC.

Analisis penguat cas

Menunjukkan prinsip asas penguat cas klasik, yang boleh digunakan sebagai litar penyaman isyarat. Dalam kes ini, kami memilih model sumber semasa, menunjukkan bahawa sensor ultrasonik adalah terutamanya peranti dengan impedans keluaran tinggi.

rintangan masukan

Litar penyaman isyarat bagi transduser cakera seramik piezo

mesti mempunyai galangan masukan bukan rendah untuk mengumpul kebanyakan keluaran cas penderia. Oleh itu, penguat cas adalah penyelesaian yang ideal, kerana selagi penguat mengekalkan keuntungan yang tinggi pada frekuensi isyarat ini, inputnya akan menyebabkan isyarat penderia muncul di bumi maya. Dalam erti kata lain, jika sebarang cas sensor ingin meningkat pada anod sensor (Cd) atau input penguat kemuatan parasit (Ca), voltan akan terbentuk pada input penguat. Dengan menarik atau menarik jumlah arus cas rangkaian maklum balas negatif yang sama, iaitu RFB dan CFB, voltan ini segera dikompensasikan.

Keuntungan

Kerana input isyarat penguat adalah tanah maya, arus input membentuk sejenis ayunan voltan keluaran; dan keuntungan frekuensi tinggi ditetapkan oleh nilai CFB (pengaruh RFB dikurangkan, yang akan diterangkan kemudian dalam bahagian 'lebar jalur'). Sila ambil perhatian bahawa lebih kecil kapasitansi.Juga ambil perhatian bahawa keuntungan litar tidak bergantung pada kemuatan (Cd) sensor ultrasonik sama sekali, tetapi lebih baik untuk memberi perhatian kepada kesan nilai ini pada bunyi.

lebar jalur

Untuk dapat memincangkan penguat dengan betul (menyediakan laluan DC untuk arus pincang input penguat), perintang maklum balas (Rf) diperlukan. Pada frekuensi yang lebih rendah, litar kapasitif laluan maklum balas menjadi litar terbuka, dan rintangan maklum balas menjadi rintangan utama, dengan itu mengurangkan keuntungan dengan berkesan. Pada frekuensi yang lebih tinggi, impedans litar kapasitor menjadi lebih kecil, dengan itu berkesan menghapuskan pengaruh laluan maklum balas rintangan. Tindak balas litar akhir kepada pengujaan fizikal AC (termasuk kapasitansi parasit sensor) ialah tindak balas penapis laluan tinggi.

Jalur lebar isyarat yang berkaitan ditentukan oleh aplikasi. Oleh itu, semasa mengurangkan kapasitansi untuk meningkatkan keuntungan, ia juga perlu untuk meningkatkan rintangan untuk mengekalkan kekerapan tiang rendah. Menambah rintangan akan menjejaskan aspek penyelesaian yang lain. Di samping menjejaskan bunyi bising (diterangkan secara terperinci dalam bahagian 'bunyi'), semakin tinggi rintangan, semakin sukar untuk benar-benar melaksanakannya-sukar untuk mencari rintangan siap dan untuk memastikan bahawa jejak PCB untuk mengesan rintangan parasit adalah lebih besar daripada RFB itu sendiri. Jika spesifikasi litar membenarkan penggunaan perintang , perintang pelekap permukaan boleh digunakan serta-merta, dan teknik susun atur lanjutan (seperti penggunaan jalur pengawal, dsb.) tidak diperlukan.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, faktor lain yang mengehadkan silinder seramik piezo bertambah rintangan adalah pincang litar. Arus pincang masukan penguat membentuk voltan pincang keluaran melalui perintang. Voltan ini boleh diminimumkan dengan memilih penguat dengan arus pincang input rendah, seperti penguat input FET. Selagi nilai perintang maklum balas kurang daripada 1GΩ, dan gandingan AC antara peringkat boleh digunakan untuk menapis offset yang dijana, maka arus pincang input penguat ini (biasanya kurang daripada 100pA) sepatutnya tiada masalah.

Sila ambil perhatian bahawa disebabkan oleh kesukaran untuk mengekalkan frekuensi rendah penapis laluan tinggi, semakin sukar untuk menggunakan penderia piezoelektrik dalam aplikasi DC berhampiran (walaupun arus kebocoran penderia itu sendiri sangat kecil).

Walaupun ia bukan sebahagian daripada peringkat penguatan, penapis laluan rendah perlu ditambah di suatu tempat untuk mengurangkan tindak balas litar kepada isyarat yang tidak diingini pada frekuensi resonans sensor ultrasonik, sambil mengurangkan jumlah pendigitalan dan bunyi aliasing dalam jalur frekuensi yang berkaitan.