Condiționarea semnalului senzorilor piezoelectrici cu ultrasunete

Senzor piezoelectric

Aplicarea senzorilor piezoelectrici pentru detectarea și excitația se extinde în multe domenii. Acest articol introduce în principal inducerea unor intensități fizice, și anume accelerația, vibrația, oscilația și presiunea, care pot fi considerate similare din perspectiva senzorului și a ajustării necesare a semnalului acestuia. În ceea ce privește accelerația, sensibilitatea senzorului ultrasonic este de obicei exprimată ca o sarcină proporțională cu forța sau accelerația externă (numită accelerație datorată gravitației de cele mai multe ori). Cu toate acestea, într-un sens fizic strict, senzorul cu ultrasunete emite o sarcină care este de fapt determinată de deformarea/deformarea sa. Arătând a senzor piezo-ceramic instalat în poziția de sus, în timp ce partea de jos este trasă de o forță externă. În cazul utilizării unui accelerometru, capătul fix (sus) se va lipi de obiectul de măsurat accelerația și, în același timp, Forța externă este inerția masei care aderă la celălalt capăt (de jos), iar acest capăt dorește în mod constant să rămână nemișcat. În măsura în care sistemul de coordonate de referință este fixat în partea de sus (presupunând că senzorul acționează ca un arc cu o constantă ridicată a arcului K), deviația x va forma o forță de reacție:

Fint = Kx (1)

În cele din urmă, masa (senzorul cu ultrasunete) se va opri în mișcare/schimbare în următoarele condiții:

Fint = Fext = Kx (2)

Deoarece sarcina Q este proporțională cu deviația (de ordinul întâi), iar deviația este proporțională cu forța, Q este, de asemenea, proporțională cu forța. O forță sinusoidală cu o valoare maximă de Fmax va forma o sarcină sinusoidală cu o valoare maximă de Qmax. Cu alte cuvinte, atunci când forța sinusoidală este la valoarea sa maximă, curentul de la senzor poate fi integrat pentru a obține Qmax. Creșterea frecvenței undei sinusoidale va crește curentul; dar va atinge vârful mai repede, adică păstrând integrala (Qmax) constantă. intervalul de frecvență al senzorului ultrasonic pentru a specifica specificația sensibilității. Cu toate acestea, datorită proprietăților mecanice ale senzorului, senzorul are de fapt o frecvență de rezonanță (peste intervalul de frecvență utilizabil), și chiar și o forță mică de oscilație va produce o deviație relativ mare, rezultând o amplitudine mare de ieșire. Dacă ignorăm efectul rezonanței, putem modela senzorul piezoelectric ca sursă de curent în paralel cu sursa de curent în paralel cu sursa de curent parazită (capacitatea parazitară), sau modelul de tensiune al senzorului denumit în sensul de capacitate parazită (capacitatea parazitară). seria cu Cd . Această tensiune este tensiunea echivalentă văzută pe anodul senzorului la stocarea încărcăturii. Cu toate acestea, trebuie să acordăm atenție faptului că a doua metodă este mai simplă în ceea ce privește simularea multor aplicații. După cum s-a menționat mai devreme, curentul este proporțional cu rata de schimbare a oblicului; pentru o curbă AC sinusoidală cu accelerație de amplitudine constantă, amplitudinea generatorului de curent trebuie modificată în funcție de frecvență.

În cele din urmă, dacă un astfel de generator trebuie să reprezinte semnalul fizic real, se poate folosi un transformator. În acest exemplu, am modelat un generator cu o sensibilitate de 0,5pC/g și o capacitate parazită de 500pF. Generatorul de undă sinusoidală emite 1V per unitate g pentru a realiza simularea. Transformatorul îl reglează până la 1 mV în bobina secundară. Oscilația de 1 mV va fi injectată în etapa următoare, așa cum ne așteptam Q = VC = 0,5 pC.

Analiza amplificatorului de încărcare

Prezentarea principiului de bază al unui amplificator de încărcare clasic, care poate fi folosit ca circuit de condiționare a semnalului. În acest caz, alegem modelul sursei curente, indicând faptul că senzorul cu ultrasunete este în principal un dispozitiv cu impedanță de ieșire mare.

rezistență de intrare

Circuitul de condiționare a semnalului al traductor cu disc piezo-ceramic

trebuie să aibă o impedanță de intrare nescăzută pentru a colecta cea mai mare parte a ieșirii de încărcare a senzorului. Prin urmare, un amplificator de încărcare este o soluție ideală, deoarece atâta timp cât amplificatorul menține un câștig ridicat la aceste frecvențe de semnal, intrarea sa va face ca semnalul senzorului să apară la pământ virtual. Cu alte cuvinte, dacă orice sarcină a senzorului dorește să crească pe anodul senzorului (Cd) sau capacitatea parazită de intrare a amplificatorului (Ca), se va forma o tensiune la intrarea amplificatorului. Tragând sau tragând aceeași cantitate de curent de încărcare a rețelei cu feedback negativ, și anume RFB și CFB, această tensiune este imediat compensată.

Câştig

Deoarece intrarea semnalului amplificatorului este pământ virtual, curentul de intrare formează un fel de variație a tensiunii de ieșire; iar câștigul de înaltă frecvență este stabilit de valoarea CFB (influența RFB este redusă, ceea ce va fi descris mai târziu în partea „lățime de bandă”). Vă rugăm să rețineți că cu cât capacitatea este mai mică. De asemenea, rețineți că câștigul circuitului nu depinde deloc de capacitatea (Cd) a senzorului ultrasonic, dar este mai bine să acordați atenție efectului acestei valori asupra zgomotului.

lățime de bandă

Pentru a putea polariza corect amplificatorul (furnizați o cale de curent continuu pentru curentul de polarizare de intrare a amplificatorului), este necesar un rezistor de feedback (Rf). La frecvențe mai mici, circuitul capacitiv al căii de feedback devine un circuit deschis, iar rezistența de feedback devine rezistența principală, reducând astfel eficient câștigul. La frecvențe mai mari, impedanța circuitului condensatorului devine mai mică, eliminând astfel în mod eficient influența căii de feedback a rezistenței. Răspunsul final al circuitului la excitația fizică AC (inclusiv capacitatea parazită a senzorului) este răspunsul filtrului trece-înalt.

Lățimea de bandă relevantă a semnalului este determinată de aplicație. Prin urmare, în timp ce reduceți capacitatea pentru a crește câștigul, este, de asemenea, necesar să creșteți rezistența pentru a menține frecvența polului scăzută. Adăugarea de rezistență va afecta alte aspecte ale soluției. În plus față de afectarea zgomotului (descris în detaliu în secțiunea „zgomot”), cu cât rezistența este mai mare, cu atât este mai dificil să o implementezi efectiv - este dificil să găsești o rezistență gata făcută și să te asiguri că PCB-ul pentru a urmări rezistența parazită este mai mare decât RFB-ul în sine. Dacă specificațiile circuitului permit utilizarea rezistențelor de , rezistențele de montare la suprafață pot fi utilizate imediat și nu sunt necesare tehnici avansate de aranjare (cum ar fi utilizarea benzilor de protecție etc.).

După cum am menționat mai devreme, un alt factor de limitare a cilindrul piezo-ceramic crește rezistența este polarizarea circuitului. Curentul de polarizare de intrare al amplificatorului formează o tensiune de polarizare de ieșire prin rezistor. Această tensiune poate fi redusă la minimum prin alegerea amplificatoarelor cu curenți de polarizare de intrare mici, cum ar fi amplificatoarele de intrare FET. Atâta timp cât valoarea rezistorului de feedback este mai mică de 1 GΩ, iar cuplarea AC între etape poate fi utilizată pentru a filtra offset-ul generat, atunci curentul de polarizare de intrare al acestui amplificator (în general mai mic de 100pA) nu ar trebui să fie o problemă.

Vă rugăm să rețineți că, din cauza dificultății de a păstra frecvența joasă a filtrului de trecere înaltă, devine din ce în ce mai dificil să utilizați senzori piezoelectrici în aplicații apropiate de curent continuu (deși curentul de scurgere al senzorului în sine este foarte mic).

Deși nu face parte din etapa de amplificare, un filtru trece-jos trebuie adăugat undeva pentru a reduce răspunsul circuitului la semnalele nedorite la frecvența de rezonanță a senzorului ultrasonic, reducând în același timp zgomotul total de digitalizare și aliasing în banda de frecvență relevantă.