Signalkonditionering av piezoelektriska ultraljudssensorer

Piezoelektrisk sensor

Tillämpningen av piezoelektriska sensorer för avkänning och excitation sträcker sig till många områden. Den här artikeln introducerar huvudsakligen induktionen av vissa fysiska intensiteter, nämligen acceleration, vibration, oscillation och tryck, som kan anses vara liknande ur sensorns perspektiv och dess nödvändiga signaljustering. När det gäller acceleration uttrycks ultraljudssensorns känslighet vanligtvis som en laddning som är proportionell mot den yttre kraften eller accelerationen (kallad acceleration på grund av gravitation för det mesta). Men i strikt fysisk mening avger ultraljudssensorn en laddning som faktiskt bestäms av dess deformation/avböjning. Visar en piezokeramisk sensor installerad i det övre läget, medan botten dras av en extern kraft. Vid användning av en accelerometer kommer den fasta änden (överst) att fastna på objektet som ska mätas acceleration, och samtidigt är den yttre kraften trögheten hos massan som fäster vid den andra änden (botten), och denna ände vill hela tiden förbli stilla. Så långt som referenskoordinatsystemet är fixerat i toppen (förutsatt att sensorn fungerar som en fjäder med hög fjäderkonstant K), kommer avböjningen x att bilda en reaktionskraft:

Fint = Kx (1)

I slutändan kommer massan (ultraljudssensorn) att sluta röra sig/förändras under följande förhållanden:

Fint = Fext = Kx (2)

Eftersom laddning Q är proportionell mot avböjning (första ordningen), och avböjning är proportionell mot kraft, är Q också proportionell mot kraft. En sinusformad kraft med ett maximalt värde på Fmax kommer att bilda en sinusformad laddning med ett maximalt värde på Qmax. Med andra ord, när sinuskraften är på sitt maximala värde kan strömmen från sensorn integreras för att få Qmax. Att öka sinusvågens frekvens kommer att öka strömmen; men det kommer att nå toppen snabbare, det vill säga hålla integralen (Qmax) konstant. frekvensområde för ultraljudssensorn för att specificera känslighetsspecifikationen. Men på grund av sensorns mekaniska egenskaper har sensorn faktiskt en resonansfrekvens (över det användbara frekvensområdet), och även en liten oscillationskraft kommer att producera en relativt stor avböjning, vilket resulterar i en stor utamplitud. Om vi bortser från effekten av resonans, kan vi modellera den piezoelektriska sensorn som en strömkälla för strömkällan (eller parasitisk kapacitans som C), parallellt med sensorn. modellera den som en spänningskälla i serie med Cd . Denna spänning är den ekvivalenta spänningen som ses på sensorns anod vid lagring av laddning. Vi måste dock vara uppmärksamma på att den andra metoden är enklare när det gäller simulering av många applikationer. Som tidigare nämnts är strömmen proportionell mot skevningsförändringen; för en sinusformad AC-kurva med konstant amplitudacceleration måste strömgeneratorns amplitud ändras efter frekvens.

Slutligen, om en sådan generator behöver representera den faktiska fysiska signalen, kan en transformator användas. I det här exemplet modellerade vi en generator med 0,5pC/g känslighet och 500pF parasitisk kapacitans. Sinusvågsgeneratorn matar ut 1V per enhet g för att realisera simulering. Transformatorn justerar ner den till 1mV i sin sekundära spole. 1mV-svingen kommer att injiceras i nästa steg eftersom vi förväntade oss Q = VC = 0,5 pC.

Laddningsförstärkaranalys

Visar grundprincipen för en klassisk laddningsförstärkare, som kan användas som en signalkonditioneringskrets. I det här fallet väljer vi den aktuella källmodellen, vilket indikerar att ultraljudssensorn huvudsakligen är en enhet med hög utimpedans.

ingångsresistans

Signalkonditioneringskretsen för piezokeramisk skivgivare

måste ha en icke-låg ingångsimpedans för att samla upp det mesta av laddningsutgången från sensorn. Därför är en laddningsförstärkare en idealisk lösning, för så länge som förstärkaren bibehåller en hög förstärkning vid dessa signalfrekvenser, kommer dess ingång att göra att sensorsignalen verkar virtuell jord. Med andra ord, om någon laddning av sensorn vill öka på sensoranoden (Cd) eller förstärkarens parasitiska kapacitans (Ca), kommer en spänning att bildas vid förstärkaringången. Genom att dra eller dra samma mängd negativ återkopplingsnätets laddningsström, nämligen RFB och CFB, kompenseras denna spänning omedelbart.

Få

Eftersom förstärkarens signalingång är virtuell jord, bildar inströmmen ett slags utspänningssvängning; och högfrekvensförstärkningen ställs in av värdet på CFB (RFB-inflytande reduceras, vilket kommer att beskrivas senare i 'bandbreddsdelen'). Observera att desto mindre kapacitans. Notera också att kretsförstärkningen inte alls beror på kapacitansen (Cd) för ultraljudssensorn, men det är bättre att vara uppmärksam på effekten av detta värde på brus.

bandbredd

För att kunna förspänna förstärkaren korrekt (tillhandahålla en DC-väg för förstärkarens ingångsförspänningsström) krävs ett återkopplingsmotstånd (Rf). Vid lägre frekvenser blir återkopplingsvägens kapacitiva krets en öppen krets, och återkopplingsresistansen blir huvudresistansen, vilket effektivt minskar förstärkningen. Vid högre frekvenser blir impedansen hos kondensatorkretsen mindre, vilket effektivt eliminerar inverkan av resistansåterkopplingsvägen. Det slutliga kretssvaret på växelströms fysisk excitation (inklusive sensorns parasitiska kapacitans) är svaret från högpassfiltret.

Den relevanta signalbandbredden bestäms av applikationen. Därför, samtidigt som kapacitansen reduceras för att öka förstärkningen, är det också nödvändigt att öka resistansen för att hålla polfrekvensen låg. Att lägga till motstånd kommer att påverka andra aspekter av lösningen. Förutom att påverka buller (beskrivs i detalj i avsnittet 'brus'), ju högre resistans, desto svårare är det att faktiskt implementera det - det är svårt att hitta ett färdigt resistans och att se till att PCB-spåret för att spåra parasitresistansen är större än RFB själv. Om kretsspecifikationerna tillåter användning av motstånd av , kan ytmonteringsmotstånden användas omedelbart, och avancerade layouttekniker (som användning av skyddsband etc.) krävs inte.

Som nämnts tidigare, en annan faktor som begränsar piezokeramisk cylinder ökar i motstånd är kretsförspänning. Förstärkarens ingångsförspänning bildar en utgående förspänning genom motståndet. Denna spänning kan minimeras genom att välja förstärkare med låga ingångsförspänningsströmmar, såsom FET-ingångsförstärkare. Så länge återkopplingsmotståndets värde är mindre än 1GΩ, och AC-kopplingen mellan stegen kan användas för att filtrera den genererade offseten, borde ingångsförspänningsströmmen för denna förstärkare (vanligen mindre än 100pA) inte vara några problem.

Observera att på grund av svårigheten att hålla högpassfiltret låg frekvens, blir det allt svårare att använda piezoelektriska sensorer i nära DC-applikationer (även om läckströmmen för själva sensorn är mycket liten).

Även om det inte är en del av förstärkningssteget behöver ett lågpassfilter läggas till någonstans för att minska kretsens svar på oönskade signaler vid ultraljudssensorns resonansfrekvens, samtidigt som den totala digitaliseringen och aliasingbruset i det relevanta frekvensbandet minskar.