Формування сигналу п'єзоелектричних ультразвукових датчиків

П'єзоелектричний датчик

Застосування п'єзоелектричних датчиків для зондування та збудження поширюється на багато областей. У цій статті в основному розглядається індукція деяких фізичних інтенсивностей, а саме прискорення, вібрації, коливань і тиску, які можна вважати подібними з точки зору датчика та необхідного налаштування сигналу. З точки зору прискорення, чутливість ультразвукового датчика зазвичай виражається як заряд, пропорційний зовнішній силі або прискоренню (здебільшого це називається прискоренням сили тяжіння). Однак у строгому фізичному сенсі ультразвуковий датчик видає заряд, який фактично визначається його деформацією/прогином. Показ а п'єзокерамічний датчик, встановлений у верхній позиції, тоді як нижня частина тягнеться зовнішньою силою. У разі використання акселерометра фіксований кінець (верхній) буде прилипати до об’єкта, що вимірюється прискоренням, і в той же час зовнішня сила — це інерція маси, що прилипає до іншого кінця (нижнього), і цей кінець постійно хоче залишатися нерухомим. Оскільки базова система координат зафіксована вгорі (припускаючи, що датчик діє як пружина з високою постійною пружини K), прогин x буде формувати силу реакції:

Fint = Kx (1)

Зрештою, маса (ультразвуковий датчик) перестане рухатися/змінюватися за таких умов:

Fint = Fext = Kx (2)

Оскільки заряд Q пропорційний відхиленню (перший порядок), а відхилення пропорційно силі, Q також пропорційний силі. Синусоїдальна сила з максимальним значенням Fmax утворить синусоїдальний заряд з максимальним значенням Qmax. Іншими словами, коли синусічна сила має максимальне значення, струм від датчика можна інтегрувати, щоб отримати Qmax. Підвищення частоти синусоїди призведе до збільшення струму; але він досягне піку швидше, тобто збереже інтеграл (Qmax) постійним. діапазон частот ультразвукового датчика, щоб визначити специфікацію чутливості. Однак завдяки механічним властивостям датчика датчик фактично має резонансну частоту (вище діапазону використовуваної частоти), і навіть невелика сила коливання спричинить відносно велике відхилення, що призведе до великої вихідної амплітуди. Якщо ми знехтуємо ефектом резонансу, ми можемо змоделювати п’єзоелектричний датчик як джерело струму паралельно з паразитною ємністю датчика (тут іменується Cd) або змоделювати його як джерело напруги послідовно з Cd . Ця напруга є еквівалентною напругою, що спостерігається на аноді датчика під час зберігання заряду. Однак слід звернути увагу на те, що другий метод є більш простим з точки зору моделювання багатьох програм. Як згадувалося раніше, струм пропорційний швидкості зміни перекосу; для синусоїдальної кривої змінного струму з постійною амплітудою прискорення амплітуда генератора струму повинна змінюватися відповідно до частоти.

Нарешті, якщо такий генератор повинен представляти реальний фізичний сигнал, можна використовувати трансформатор. У цьому прикладі ми змоделювали генератор із чутливістю 0,5 пКл/г і паразитною ємністю 500 пФ. Генератор синусоїдальної хвилі видає 1 В на одиницю g для реалізації моделювання. Трансформатор регулює його до 1 мВ у своїй вторинній котушці. Коливання 1 мВ буде введено на наступному етапі, як ми очікували, Q = VC = 0,5 пКл.

Аналіз підсилювача заряду

Показано основний принцип класичного підсилювача заряду, який можна використовувати як схему формування сигналу. У цьому випадку ми вибираємо модель джерела струму, вказуючи на те, що ультразвуковий датчик в основному є пристроєм з високим вихідним опором.

вхідний опір

Схема формування сигналу п'єзокерамічний дисковий перетворювач

повинен мати не низький вхідний опір, щоб отримати більшу частину вихідного заряду датчика. Таким чином, підсилювач заряду є ідеальним рішенням, тому що поки підсилювач підтримує високе посилення на цих частотах сигналу, його вхідний сигнал призведе до того, що сигнал датчика буде виглядати віртуально заземленим. Іншими словами, якщо будь-який заряд датчика хоче збільшити на аноді датчика (Cd) або вхідній паразитній ємності (Ca) підсилювача, на вході підсилювача буде формуватися напруга. Ця напруга миттєво компенсується шляхом витягування або отримання однакової величини мережевого зарядного струму негативного зворотного зв’язку, а саме RFB і CFB.

посилення

Оскільки вхідний сигнал підсилювача є віртуальною землею, вхідний струм формує свого роду коливання вихідної напруги; і посилення високої частоти встановлюється значенням CFB (вплив RFB зменшується, що буде описано пізніше в частині 'смуги пропускання'). Будь ласка, зверніть увагу, що менша ємність. Також зауважте, що підсилення схеми взагалі не залежить від ємності (Cd) ультразвукового датчика, але краще звернути увагу на вплив цього значення на шум.

пропускна здатність

Щоб мати можливість правильно зміщувати підсилювач (забезпечити шлях постійного струму для вхідного струму зміщення підсилювача), потрібен резистор зворотного зв’язку (Rf). На нижчих частотах ємнісний ланцюг шляху зворотного зв’язку стає розімкнутим, а опір зворотного зв’язку стає основним опором, тим самим ефективно зменшуючи посилення. На більш високих частотах імпеданс конденсаторної схеми стає меншим, тим самим ефективно усуваючи вплив опору зворотного зв’язку. Остаточна відповідь схеми на фізичне збудження змінного струму (включаючи паразитну ємність датчика) є реакцією фільтра високих частот.

Відповідна смуга пропускання сигналу визначається програмою. Тому, зменшуючи ємність для збільшення підсилення, також необхідно збільшити опір, щоб підтримувати низьку частоту полюса. Додавання опору вплине на інші аспекти рішення. Крім впливу на шум (докладно описаний у розділі 'шум'), чим вищий опір, тим складніше його реалізувати — важко знайти готовий опір і переконатися, що паразитний опір траси друкованої плати до траси більший, ніж сам RFB. Якщо технічні характеристики схеми дозволяють використовувати резистори розміром , резистори для поверхневого монтажу можна використовувати негайно, і не потрібні додаткові методи компонування (наприклад, використання захисних смуг тощо).

Як згадувалося раніше, ще один фактор обмеження п'єзокерамічний циліндр збільшує опір - це зміщення схеми. Вхідний струм зміщення підсилювача формує вихідну напругу зміщення через резистор. Цю напругу можна мінімізувати, вибравши підсилювачі з низькими вхідними струмами зміщення, наприклад вхідні підсилювачі FET. Поки значення резистора зворотного зв’язку менше 1 ГОм, а зв’язок змінного струму між каскадами можна використовувати для фільтрації згенерованого зміщення, то вхідний струм зміщення цього підсилювача (зазвичай менше 100 пА) не повинен бути проблемою.

Будь ласка, зверніть увагу, що через складність підтримувати низьку частоту фільтра високих частот, стає все важче використовувати п’єзоелектричні датчики в додатках, близьких до постійного струму (хоча струм витоку самого датчика дуже малий).

Незважаючи на те, що він не є частиною каскаду підсилення, потрібно десь додати фільтр низьких частот, щоб зменшити реакцію схеми на небажані сигнали на резонансній частоті ультразвукового датчика, одночасно зменшуючи загальний шум оцифровки та накладання спектрів у відповідному діапазоні частот.