Kondycjonowanie sygnału piezoelektrycznych czujników ultradźwiękowych

Czujnik piezoelektryczny

Zastosowanie czujników piezoelektrycznych do wykrywania i wzbudzania rozciąga się na wiele obszarów. W artykule przedstawiono głównie indukcję niektórych natężeń fizycznych, a mianowicie przyspieszenia, wibracji, oscylacji i ciśnienia, które można uznać za podobne z punktu widzenia czujnika i wymaganej przez niego regulacji sygnału. Jeśli chodzi o przyspieszenie, czułość czujnika ultradźwiękowego jest zwykle wyrażana jako ładunek proporcjonalny do siły zewnętrznej lub przyspieszenia (w większości przypadków zwanego przyspieszeniem grawitacyjnym). Jednakże, w sensie ściśle fizycznym, czujnik ultradźwiękowy generuje ładunek, który w rzeczywistości jest określany na podstawie jego odkształcenia/odkształcenia. Wyświetlanie czujnik piezoceramiczny montowany w górnym położeniu, natomiast dolny jest ciągnięty siłą zewnętrzną. W przypadku korzystania z akcelerometru nieruchomy koniec (góra) będzie przylegał do obiektu mierzonego przyspieszenia, a jednocześnie siłą zewnętrzną jest bezwładność masy przylegającej do drugiego końca (dół), a koniec ten ciągle chce pozostać nieruchomy. O ile układ współrzędnych odniesienia jest ustalony u góry (zakładając, że czujnik działa jak sprężyna o wysokiej stałej sprężystości K), ugięcie x utworzy siłę reakcji:

Fint = Kx (1)

Ostatecznie masa (czujnik ultradźwiękowy) przestanie się poruszać/zmieniać w następujących warunkach:

Fint = Fext = Kx (2)

Ponieważ ładunek Q jest proporcjonalny do odkształcenia (pierwszego rzędu), a ugięcie jest proporcjonalne do siły, Q jest również proporcjonalne do siły. Siła sinusoidalna o maksymalnej wartości Fmax utworzy ładunek sinusoidalny o maksymalnej wartości Qmax. Innymi słowy, gdy siła sinusoidalna osiąga maksymalną wartość, prąd z czujnika można całkować, aby uzyskać Qmax. Zwiększenie częstotliwości fali sinusoidalnej spowoduje wzrost prądu; ale osiągnie szczyt szybciej, to znaczy utrzymując całkę (Qmax) na stałym poziomie. zakres częstotliwości czujnika ultradźwiękowego w celu określenia specyfikacji czułości. Jednak ze względu na właściwości mechaniczne czujnika, czujnik w rzeczywistości ma częstotliwość rezonansową (powyżej użytecznego zakresu częstotliwości) i nawet niewielka siła oscylacji spowoduje stosunkowo duże odchylenie, co skutkuje dużą amplitudą wyjściową. Jeśli zignorujemy efekt rezonansu, możemy modelować czujnik piezoelektryczny jako źródło prądu równolegle z pasożytniczą pojemnością czujnika (określaną tutaj jako Cd) lub modelować go jako źródło napięcia połączone szeregowo z Cd. Napięcie to jest równoważne napięciu widocznemu na anodzie czujnika podczas przechowywania ładunku. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że druga metoda jest prostsza pod względem symulacji wielu zastosowań. Jak wspomniano wcześniej, prąd jest proporcjonalny do szybkości zmian skosu; w przypadku sinusoidalnej krzywej prądu przemiennego ze stałą amplitudą przyspieszenia amplituda generatora prądu musi być zmieniana w zależności od częstotliwości.

Wreszcie, jeśli taki generator musi reprezentować rzeczywisty sygnał fizyczny, można zastosować transformator. W tym przykładzie zamodelowaliśmy generator o czułości 0,5 pC/g i pojemności pasożytniczej 500 pF. Generator fal sinusoidalnych generuje napięcie 1 V na jednostkę g w celu przeprowadzenia symulacji. Transformator reguluje je w cewce wtórnej do 1 mV. Odchylenie 1 mV zostanie wprowadzone w następnym etapie, zgodnie z oczekiwaniami Q = VC = 0,5 pC.

Analiza wzmacniacza ładunku

Pokazanie podstawowej zasady działania klasycznego wzmacniacza ładunku, który może pełnić funkcję układu kondycjonowania sygnału. W tym przypadku wybieramy model źródła prądu, wskazując, że czujnik ultradźwiękowy jest głównie urządzeniem o dużej impedancji wyjściowej.

rezystancja wejściowa

Obwód kondycjonowania sygnału przetwornik piezoceramiczny

musi mieć niezbyt niską impedancję wejściową, aby zebrać większość ładunku wyjściowego czujnika. Dlatego wzmacniacz ładunku jest idealnym rozwiązaniem, ponieważ dopóki wzmacniacz utrzymuje wysokie wzmocnienie przy tych częstotliwościach sygnału, jego wejście spowoduje, że sygnał czujnika będzie wyglądał na wirtualną masę. Innymi słowy, jeśli jakikolwiek ładunek czujnika będzie chciał wzrosnąć na anodzie czujnika (Cd) lub pasożytniczej pojemności wejściowej wzmacniacza (Ca), na wejściu wzmacniacza powstanie napięcie. Pociągając lub pobierając tę ​​samą ilość prądu ładowania sieci z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, a mianowicie RFB i CFB, napięcie to jest natychmiast kompensowane.

Osiągać

Ponieważ sygnałem wejściowym wzmacniacza jest wirtualna masa, prąd wejściowy tworzy rodzaj wahań napięcia wyjściowego; a wzmocnienie wysokich częstotliwości jest ustalane przez wartość CFB (wpływ RFB jest zmniejszony, co zostanie opisane w dalszej części części dotyczącej „przepustowości”). Należy pamiętać, że im mniejsza pojemność. Należy również pamiętać, że wzmocnienie obwodu w ogóle nie zależy od pojemności (Cd) czujnika ultradźwiękowego, ale lepiej zwrócić uwagę na wpływ tej wartości na szum.

przepustowość łącza

Aby móc prawidłowo polaryzować wzmacniacz (zapewnić ścieżkę prądu stałego dla wejściowego prądu polaryzacji wzmacniacza), wymagany jest rezystor sprzężenia zwrotnego (Rf). Przy niższych częstotliwościach obwód pojemnościowy ścieżki sprzężenia zwrotnego staje się obwodem otwartym, a rezystancja sprzężenia zwrotnego staje się rezystancją główną, skutecznie zmniejszając w ten sposób wzmocnienie. Przy wyższych częstotliwościach impedancja obwodu kondensatora zmniejsza się, skutecznie eliminując w ten sposób wpływ ścieżki sprzężenia zwrotnego rezystancji. Reakcja obwodu końcowego na wzbudzenie fizyczne prądu przemiennego (w tym pojemność pasożytnicza czujnika) jest odpowiedzią filtra górnoprzepustowego.

Odpowiednie pasmo sygnału jest określane przez aplikację. Dlatego też, zmniejszając pojemność w celu zwiększenia wzmocnienia, konieczne jest również zwiększenie rezystancji, aby utrzymać niską częstotliwość bieguna. Dodanie oporu będzie miało wpływ na inne aspekty rozwiązania. Oprócz wpływu na szum (opisany szczegółowo w dziale „szum”), im wyższy opór, tym trudniej go faktycznie zastosować - trudno znaleźć gotowy opornik i zapewnić, że rezystancja pasożytnicza PCB od śladu do śladu będzie większa niż sam RFB. Jeśli specyfikacja obwodu pozwala na użycie rezystorów , rezystory do montażu powierzchniowego można natychmiast zastosować i nie są wymagane zaawansowane techniki projektowania (takie jak użycie pasm ochronnych itp.).

Jak wspomniano wcześniej, kolejnym czynnikiem ograniczającym cylindra piezoceramicznego oznacza polaryzację obwodu. Zwiększenie rezystancji Wejściowy prąd polaryzacji wzmacniacza tworzy wyjściowe napięcie polaryzacji poprzez rezystor. Napięcie to można zminimalizować, wybierając wzmacniacze o niskim wejściowym prądzie polaryzacji, takie jak wzmacniacze wejściowe FET. Dopóki wartość rezystora sprzężenia zwrotnego jest mniejsza niż 1 GΩ, a sprzężenie AC pomiędzy stopniami może zostać wykorzystane do filtrowania generowanego offsetu, wówczas wejściowy prąd polaryzacji tego wzmacniacza (zwykle mniejszy niż 100 pA) nie powinien stanowić problemu.

Należy pamiętać, że ze względu na trudności w utrzymaniu niskiej częstotliwości filtra górnoprzepustowego, coraz trudniej jest używać czujników piezoelektrycznych w zastosowaniach w pobliżu prądu stałego (chociaż prąd upływowy samego czujnika jest bardzo mały).

Chociaż nie jest to część stopnia wzmocnienia, należy gdzieś dodać filtr dolnoprzepustowy, aby zmniejszyć reakcję obwodu na niepożądane sygnały na częstotliwości rezonansowej czujnika ultradźwiękowego, jednocześnie redukując całkowity szum digitalizacji i aliasingu w odpowiednim paśmie częstotliwości.