Signaalconditionering van piëzo-elektrische ultrasone sensoren

Piëzo-elektrische sensor

De toepassing van piëzo-elektrische sensoren voor detectie en excitatie strekt zich uit over vele gebieden. Dit artikel introduceert voornamelijk de inductie van enkele fysieke intensiteiten, namelijk versnelling, trillingen, oscillatie en druk, die als vergelijkbaar kunnen worden beschouwd vanuit het perspectief van de sensor en de vereiste signaalaanpassing. In termen van versnelling wordt de gevoeligheid van de ultrasone sensor gewoonlijk uitgedrukt als een lading die evenredig is met de externe kracht of versnelling (meestal versnelling genoemd vanwege de zwaartekracht). In strikt fysieke zin geeft de ultrasone sensor echter een lading af die feitelijk wordt bepaald door zijn vervorming/afbuiging. Toont een piëzo-keramische sensor geïnstalleerd in de bovenste positie, terwijl aan de onderkant wordt getrokken door een externe kracht. Bij gebruik van een versnellingsmeter zal het vaste uiteinde (boven) aan het te meten object blijven plakken, en tegelijkertijd is de externe kracht de traagheid van de massa die aan het andere uiteinde (onder) kleeft, en dit uiteinde wil voortdurend stil blijven staan. Voor zover het referentiecoördinatensysteem bovenaan vastligt (ervan uitgaande dat de sensor werkt als een veer met een hoge veerconstante K), zal de doorbuiging x een reactiekracht vormen:

Fint = Kx (1)

Uiteindelijk zal de massa (ultrasone sensor) stoppen met bewegen/veranderen onder de volgende omstandigheden:

Fint = Fext = Kx (2)

Omdat lading Q evenredig is met de afbuiging (eerste orde), en de afbuiging evenredig is met de kracht, is Q ook evenredig met de kracht. Een sinusoïdale kracht met een maximale waarde van Fmax zal een sinusoïdale lading vormen met een maximale waarde van Qmax. Met andere woorden: wanneer de sinuskracht de maximale waarde heeft bereikt, kan de stroom van de sensor worden geïntegreerd om Qmax te verkrijgen. Het verhogen van de frequentie van de sinusgolf zal de stroom vergroten; maar het zal de piek sneller bereiken, dat wil zeggen door de integraal (Qmax) constant te houden. frequentiebereik van de ultrasone sensor om de gevoeligheidsspecificatie te specificeren. Vanwege de mechanische eigenschappen van de sensor heeft de sensor echter feitelijk een resonantiefrequentie (boven het bruikbare frequentiebereik) en zal zelfs een kleine oscillatiekracht een relatief grote afbuiging veroorzaken, wat resulteert in een grote uitgangsamplitude. Als we het effect van resonantie negeren, kunnen we de piëzo-elektrische sensor modelleren als een stroombron parallel aan de parasitaire capaciteit van de sensor (hierin Cd genoemd), of modelleren als een spanningsbron in serie met Cd. Deze spanning is de equivalente spanning die wordt waargenomen op de anode van de sensor bij het opslaan van lading. We moeten er echter op letten dat de tweede methode eenvoudiger is in termen van simulatie van veel toepassingen. Zoals eerder vermeld, is de stroom evenredig met de snelheid waarmee de scheefstand verandert; voor een sinusoïdale AC-curve met constante amplitudeversnelling moet de amplitude van de stroomgenerator afhankelijk van de frequentie worden gewijzigd.

Als een dergelijke generator tenslotte het daadwerkelijke fysieke signaal moet weergeven, kan een transformator worden gebruikt. In dit voorbeeld hebben we een generator gemodelleerd met een gevoeligheid van 0,5 pC/g en een parasitaire capaciteit van 500 pF. De sinusgolfgenerator levert 1V per eenheid g om simulatie te realiseren. De transformator past dit aan tot 1 mV in de secundaire spoel. De 1mV-zwaai zal in de volgende fase worden geïnjecteerd, zoals we hadden verwacht: Q = VC = 0,5 pC.

Analyse van ladingsversterkers

Toont het basisprincipe van een klassieke ladingsversterker, die kan worden gebruikt als signaalconditioneringscircuit. In dit geval kiezen we voor het huidige bronmodel, wat aangeeft dat de ultrasone sensor voornamelijk een apparaat is met een hoge uitgangsimpedantie.

ingangsweerstand

Het signaalconditioneringscircuit van piëzo-keramische schijftransducer

moet een niet-lage ingangsimpedantie hebben om het grootste deel van de ladinguitvoer van de sensor te verzamelen. Daarom is een ladingsversterker een ideale oplossing, want zolang de versterker een hoge versterking behoudt bij deze signaalfrequenties, zal de invoer ervan ervoor zorgen dat het sensorsignaal virtueel aarde lijkt. Met andere woorden, als de lading van de sensor op de sensoranode (Cd) of de parasitaire capaciteit (Ca) van de versterkeringang wil toenemen, zal er een spanning worden gevormd aan de versterkeringang. Door dezelfde hoeveelheid negatieve feedbacknetwerklaadstroom te trekken of te trekken, namelijk RFB en CFB, wordt deze spanning onmiddellijk gecompenseerd.

Verdienen

Omdat de signaalingang van de versterker virtueel geaard is, vormt de ingangsstroom een ​​soort uitgangsspanningszwaai; en de hoogfrequente versterking wordt ingesteld door de waarde van CFB (de RFB-invloed wordt verminderd, wat later in het gedeelte 'bandbreedte' zal worden beschreven). Houd er rekening mee dat hoe kleiner de capaciteit is. Merk ook op dat de circuitversterking helemaal niet afhankelijk is van de capaciteit (Cd) van de ultrasone sensor, maar dat het beter is om aandacht te besteden aan het effect van deze waarde op ruis.

bandbreedte

Om de versterker correct te kunnen voorspannen (een DC-pad te bieden voor de ingangsvoorspanningsstroom van de versterker), is een terugkoppelweerstand (Rf) vereist. Bij lagere frequenties wordt het capacitieve circuit van het feedbackpad een open circuit en wordt de feedbackweerstand de hoofdweerstand, waardoor de versterking effectief wordt verminderd. Bij hogere frequenties wordt de impedantie van het condensatorcircuit kleiner, waardoor de invloed van het weerstandsfeedbackpad effectief wordt geëlimineerd. De uiteindelijke reactie van het circuit op fysieke AC-excitatie (inclusief de parasitaire capaciteit van de sensor) is de reactie van het hoogdoorlaatfilter.

De relevante signaalbandbreedte wordt bepaald door de applicatie. Daarom is het, terwijl de capaciteit wordt verminderd om de versterking te vergroten, ook noodzakelijk om de weerstand te vergroten om de poolfrequentie laag te houden. Het toevoegen van weerstand zal andere aspecten van de oplossing beïnvloeden. Naast het beïnvloeden van ruis (in detail beschreven in de sectie 'ruis'), geldt dat hoe hoger de weerstand, hoe moeilijker het is om deze daadwerkelijk te implementeren. Het is moeilijk om een ​​kant-en-klare weerstand te vinden en om ervoor te zorgen dat de PCB-trace tot parasitaire weerstand groter is dan de RFB zelf. Als de circuitspecificaties het gebruik van weerstanden van toestaan, kunnen de opbouwweerstanden onmiddellijk worden gebruikt en zijn geavanceerde lay-outtechnieken (zoals het gebruik van beschermbanden, enz.) niet vereist.

Zoals eerder vermeld, is er nog een beperkende factor piëzo-keramische cilinderverhoging van de weerstand is circuitvoorspanning. De ingangsvoorspanning van de versterker vormt via de weerstand een uitgangsvoorspanning. Deze spanning kan worden geminimaliseerd door versterkers te kiezen met lage ingangsvoorspanningen, zoals FET-ingangsversterkers. Zolang de waarde van de feedbackweerstand kleiner is dan 1 GΩ en de AC-koppeling tussen de trappen kan worden gebruikt om de gegenereerde offset te filteren, zou de ingangsvoorstroom van deze versterker (doorgaans minder dan 100 pA) geen probleem moeten zijn.

Houd er rekening mee dat vanwege de moeilijkheid om het hoogdoorlaatfilter laagfrequent te houden, het steeds moeilijker wordt om piëzo-elektrische sensoren te gebruiken in bijna-gelijkstroomtoepassingen (hoewel de lekstroom van de sensor zelf erg klein is).

Hoewel het geen deel uitmaakt van de versterkingsfase, moet er ergens een laagdoorlaatfilter worden toegevoegd om de reactie van het circuit op ongewenste signalen op de resonantiefrequentie van de ultrsone sensor te verminderen, terwijl de totale digitalisering en aliasingruis in de relevante frequentieband wordt verminderd.