Signalbehandling av piezoelektriske ultralydsensorer

Piezoelektrisk sensor

Anvendelsen av piezoelektriske sensorer for sensing og eksitasjon strekker seg til mange områder. Denne artikkelen introduserer hovedsakelig induksjon av noen fysiske intensiteter, nemlig akselerasjon, vibrasjon, oscillasjon og trykk, som kan betraktes som lik fra sensorens perspektiv og dens nødvendige signaljustering. Når det gjelder akselerasjon, uttrykkes ultralydsensorens følsomhet vanligvis som en ladning proporsjonal med den ytre kraften eller akselerasjonen (kalt akselerasjon på grunn av tyngdekraften mesteparten av tiden). Men i en streng fysisk forstand sender ultralydsensoren ut en ladning som faktisk bestemmes av dens deformasjon/avbøyning. Viser en piezokeramisk sensor installert i øverste posisjon, mens bunnen trekkes av en ekstern kraft. Ved bruk av akselerometer vil den faste enden (øverst) feste seg til objektet som skal måles akselerasjon, og samtidig Den ytre kraften er tregheten til massen som fester seg til den andre enden (nederst), og denne enden ønsker hele tiden å holde seg i ro. Så langt som referansekoordinatsystemet er festet på toppen (forutsatt at sensoren fungerer som en fjær med høy fjærkonstant K), vil avbøyningen x danne en reaksjonskraft:

Fint = Kx (1)

Til syvende og sist vil massen (ultralydsensoren) slutte å bevege seg/endre seg under følgende forhold:

Fint = Fext = Kx (2)

Siden ladning Q er proporsjonal med avbøyning (første orden), og avbøyning er proporsjonal med kraft, er Q også proporsjonal med kraft. En sinusformet kraft med en maksimal verdi på Fmax vil danne en sinusformet ladning med en maksimal verdi på Qmax. Med andre ord, når sinuskraften er på sin maksimale verdi, kan strømmen fra sensoren integreres for å få Qmax. Å øke frekvensen til sinusbølgen vil øke strømmen; men det vil nå toppen raskere, det vil si å holde integralet (Qmax) konstant. frekvensområdet til ultralydsensoren for å spesifisere følsomhetsspesifikasjonen. På grunn av sensorens mekaniske egenskaper har imidlertid sensoren faktisk en resonansfrekvens (over det brukbare frekvensområdet), og selv en liten oscillasjonskraft vil produsere en relativt stor avbøyning, noe som resulterer i en stor utgangsamplitude. Hvis vi ignorerer effekten av resonans, kan vi modellere den piezoelektriske sensoren som en strømkilde for strømkilden (eller parasitisk kapasitans i sensoren) modeller den som en spenningskilde i serie med Cd. Denne spenningen er den ekvivalente spenningen som sees på anoden til sensoren ved lagring av ladning. Imidlertid må vi ta hensyn til det faktum at den andre metoden er enklere når det gjelder simulering av mange applikasjoner. Som nevnt tidligere, er strømmen proporsjonal med hastigheten på skjeve endring; for en sinusformet AC-kurve med konstant amplitudeakselerasjon må amplituden til strømgeneratoren endres i henhold til frekvens.

Til slutt, hvis en slik generator trenger å representere det faktiske fysiske signalet, kan en transformator brukes. I dette eksemplet modellerte vi en generator med 0,5pC/g følsomhet og 500pF parasittisk kapasitans. Sinusbølgegeneratoren gir ut 1V per enhet g for å realisere simulering. Transformatoren justerer den ned til 1mV i sin sekundære spole. 1mV-svingen vil bli injisert i neste trinn som vi forventet Q = VC = 0,5 pC.

Ladeforsterkeranalyse

Viser det grunnleggende prinsippet for en klassisk ladeforsterker, som kan brukes som en signalbehandlingskrets. I dette tilfellet velger vi gjeldende kildemodell, noe som indikerer at ultralydsensoren hovedsakelig er en enhet med høy utgangsimpedans.

inngangsmotstand

Signalbehandlingskretsen til piezo keramisk skivesvinger

må ha en ikke-lav inngangsimpedans for å samle mesteparten av ladningsutgangen til sensoren. Derfor er en ladeforsterker en ideell løsning, fordi så lenge forsterkeren opprettholder en høy forsterkning ved disse signalfrekvensene, vil dens inngang føre til at sensorsignalet vises som virtuell jord. Med andre ord, hvis noen ladning av sensoren ønsker å øke på sensoranoden (Cd) eller forsterkerinngangens parasittiske kapasitans (Ca), vil det dannes en spenning ved forsterkerinngangen. Ved å trekke eller trekke samme mengde negativ tilbakekoblingsnettverks ladestrøm, nemlig RFB og CFB, blir denne spenningen umiddelbart kompensert.

Gevinst

Fordi signalinngangen til forsterkeren er virtuell jord, danner inngangsstrømmen en slags utgangsspenningssving; og høyfrekvensforsterkningen settes av verdien til CFB (RFB-påvirkning reduseres, som vil bli beskrevet senere i 'båndbredde'-delen). Vær oppmerksom på at jo mindre kapasitans er. Vær også oppmerksom på at kretsforsterkningen ikke er avhengig av kapasitansen (Cd) til ultralydsensoren i det hele tatt, men det er bedre å ta hensyn til effekten av denne verdien på støy.

båndbredde

For å kunne forspenne forsterkeren riktig (gi en likestrømsvei for forsterkerens inngangs forspenningsstrøm), kreves det en tilbakekoblingsmotstand (Rf). Ved lavere frekvenser blir den kapasitive kretsen til tilbakekoblingsbanen en åpen krets, og tilbakekoblingsmotstanden blir hovedmotstanden, og reduserer dermed forsterkningen effektivt. Ved høyere frekvenser blir impedansen til kondensatorkretsen mindre, og eliminerer derved effektivt innflytelsen fra motstands-tilbakekoblingsbanen. Den endelige kretsresponsen på AC fysisk eksitasjon (inkludert den parasittiske kapasitansen til sensoren) er responsen til høypassfilteret.

Den relevante signalbåndbredden bestemmes av applikasjonen. Derfor, mens du reduserer kapasitansen for å øke forsterkningen, er det også nødvendig å øke motstanden for å holde polfrekvensen lav. Å legge til motstand vil påvirke andre aspekter av løsningen. I tillegg til å påvirke støy (beskrevet i detalj i avsnittet «støy»), jo høyere motstand, desto vanskeligere er det å faktisk implementere det - det er vanskelig å finne en ferdiglaget motstand og å sikre at PCB-sporet til å spore parasittisk motstand er større enn selve RFB-en. Hvis kretsspesifikasjonene tillater bruk av motstander av , kan overflatemonterte motstander brukes umiddelbart, og avanserte layoutteknikker (som bruk av beskyttelsesbånd osv.) er ikke nødvendig.

Som nevnt tidligere, en annen faktor som begrenser piezo keramisk sylinder øker i motstand er krets bias. Inngangsforspenningsstrømmen til forsterkeren danner en utgangsforspenning gjennom motstanden. Denne spenningen kan minimeres ved å velge forsterkere med lave inngangsforspenningsstrømmer, for eksempel FET-inngangsforsterkere. Så lenge tilbakekoblingsmotstandsverdien er mindre enn 1GΩ, og AC-koblingen mellom trinnene kan brukes til å filtrere den genererte forskyvningen, bør inngangsforspenningsstrømmen til denne forsterkeren (vanligvis mindre enn 100pA) ikke være noe problem.

Vær oppmerksom på at på grunn av vanskeligheten med å holde høypassfilteret lav frekvens, blir det mer og mer vanskelig å bruke piezoelektriske sensorer i nær DC-applikasjoner (selv om lekkasjestrømmen til selve sensoren er veldig liten).

Selv om det ikke er en del av forsterkningstrinnet, må det legges til et lavpassfilter et sted for å redusere kretsens respons på uønskede signaler ved ultralydsensorens resonansfrekvens, samtidig som den totale digitaliseringen og aliasingstøyen i det aktuelle frekvensbåndet reduseres.