Signalkonditionierung von piezoelektrischen Ultraschallsensoren

Piezoelektrischer Sensor

Die Anwendung von piezoelektrischen Sensoren zur Erfindung und Anregung erstreckt sich auf viele Bereiche. In diesem Artikel wird hauptsächlich die Induktion einiger physikalischer Intensitäten eingeführt, nämlich Beschleunigung, Schwingung, Schwingung und Druck, die aus der Perspektive des Sensors und seiner erforderlichen Signalanpassung als ähnlich angesehen werden können. In Bezug auf die Beschleunigung wird die Ultraschallsensorempfindlichkeit normalerweise als Ladung ausdrücklich zur externen Kraft oder Beschleunigung ausgedrückt (die meiste Zeit als Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft bezeichnet). In einem strikten physischen Sinne gibt der Ultraschallsensor jedoch eine Ladung aus, die tatsächlich durch seine Verformung/Auslenkung bestimmt wird. Zeigen aPiezo -KeramiksensorAn der oberen Position installiert, während der Boden von einer externen Kraft gezogen wird. Bei der Verwendung eines Beschleunigungsmessers hält sich das feste Ende (oben) an dem zu gemessenen Objekt, und gleichzeitig ist die externe Kraft die Trägheit der Masse, die am anderen Ende (unten) und dieses Ende haftet, und dieses Ende will ständig still bleiben. Soweit das Referenzkoordinatensystem oben festgelegt ist (unter der Annahme, dass der Sensor als Feder mit einer Hochfederkonstante k wirkt), bildet die Auslenkung x eine Reaktionskraft:

Fint = kx (1)

Letztendlich hört die Masse (Ultraschallsensor) auf, sich unter den folgenden Bedingungen zu bewegen/zu ändern:

Fint = fext = kx (2)

Da Ladung Q proportional zur Ablenkung (erste Ordnung) ist und die Ablenkung proportional zur Kraft ist, ist Q auch proportional zur Kraft. Eine sinusförmige Kraft mit einem maximalen Wert von fmax bildet eine sinusförmige Ladung mit einem maximalen Wert von Qmax. Mit anderen Worten, wenn die Sinuskraft ihren maximalen Wert hat, kann der Strom des Sensors integriert werden, um Qmax zu erhalten. Die Erhöhung der Frequenz der Sinuswelle erhöht den Strom. Aber es wird den Peak schneller erreichen, das heißt, die integrale (Qmax) konstant zu halten. Frequenzbereich des Ultraschallsensors zur Festlegung der Empfindlichkeitsspezifikation. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Sensors weist der Sensor tatsächlich eine Resonanzfrequenz (über dem nutzbaren Frequenzbereich) auf, und selbst eine kleine Schwingungskraft erzeugt eine relativ große Ablenkung, was zu einer großen Ausgangsamplitude führt. Wirkung der Resonanz können wir den piezoelektrischen Sensor parallel zur parasitären Kapazität des Sensors (hier als CD bezeichnet) oder als Spannungsquelle in Reihe mit CD modellieren. Diese Spannung ist die äquivalente Spannung auf der Anode des Sensors beim Speichern der Ladung. Wir müssen jedoch darauf achten, dass die zweite Methode in Bezug auf die Simulation vieler Anwendungen einfacher ist. Wie bereits erwähnt, ist der Strom proportional zur Rate der Schrägänderung; Für eine sinusförmige Wechselstromkurve mit einer Beschleunigung der konstanten Amplitude muss die Amplitude des Stromgenerators entsprechend der Frequenz geändert werden.

Wenn ein solcher Generator das tatsächliche physikalische Signal darstellen muss, kann ein Transformator verwendet werden. In diesem Beispiel haben wir einen Generator mit einer Empfindlichkeit von 0,5 pc/g und einer parasitären Kapazität von 500PF modelliert. Der Sinuswellengenerator gibt 1 V pro Einheit G aus, um die Simulation zu realisieren. Der Transformator passt es in seiner Sekundärspule auf 1 mV an. Der 1MV -Schwung wird in der nächsten Stufe injiziert, wie wir es erwartet hatten, q = vc = 0,5 pc.

Analyse der Ladungsverstärker

Zeigt das Grundprinzip eines klassischen Ladungsverstärkers, der als Signalkonditionierungsschaltung verwendet werden kann. In diesem Fall wählen wir das aktuelle Quellmodell aus und geben an, dass der Ultraschallsensor hauptsächlich ein Gerät mit hoher Ausgangsimpedanz ist.

Eingangswiderstand

Der Signalkonditionierungskreis vonPiezo -Keramikscheibe -Wandler

Muss eine nicht niedrige Eingangsimpedanz haben, um den größten Teil des Ladungsausgangs des Sensors zu sammeln. Daher ist ein Ladungsverstärker eine ideale Lösung, da der Verstärker bei diesen Signalfrequenzen eine hohe Verstärkung beibehält, die dazu führt, dass das Sensorsignal virtuell erscheint. Mit anderen Worten, wenn eine Ladung des Sensors auf der parasitären Kapazität der Sensoranode (CD) oder des Verstärkereingangs (CA) erhöhen möchte, wird am Verstärkereingang eine Spannung gebildet. Durch das Ziehen oder Zeichnen des gleichen negativen Feedback -Netzwerkladungsstroms, nämlich RFB und CFB, wird diese Spannung sofort kompensiert.

Gewinnen

Da der Signaleingang des Verstärkers virtueller Boden ist, bildet der Eingangsstrom eine Art Ausgangsspannungsschwung; und der Hochfrequenzgewinn wird durch den Wert von CFB festgelegt (RFB-Einfluss wird verringert, der später im Teil der \"Bandbreite\" beschrieben wird). Bitte beachten Sie, dass je kleiner die Kapazitätskapazität ist. Beachten Sie, dass die Schaltungsverstärkung nicht von der Kapazität (CD) des Ultraschallsensors abhängt, aber es ist besser, die Auswirkungen dieses Wertes auf den Rauschen zu beachten.

Bandbreite

Um den Verstärker korrekt verzerrt zu können (einen DC -Pfad für den Verstärkereingangsvorspannungsstrom bereitstellen), ist ein Rückkopplungswiderstand (RF) erforderlich. Bei niedrigeren Frequenzen wird der kapazitive Schaltkreis des Rückkopplungsweges zum offenen Stromkreis, und der Rückkopplungswiderstand wird zum Hauptwiderstand, wodurch die Verstärkung wirksam verringert wird. Bei höheren Frequenzen wird die Impedanz der Kondensatorschaltung kleiner, wodurch der Einfluss des Widerstandsrückkopplungswegs wirksam beseitigt. Die endgültige Reaktion des Schaltungskreislaufs auf die physikalische Anregung (einschließlich der parasitären Kapazität des Sensors) ist die Reaktion des Hochpassfilters.

Die relevante Signalbandbreite wird von der Anwendung bestimmt. Daher ist es auch notwendig, den Widerstand zu erhöhen, um die Polfrequenz niedrig zu halten. Das Hinzufügen von Widerstand beeinflusst andere Aspekte der Lösung. Zusätzlich zur Auswirkung von Rauschen (im Abschnitt \"Rauschen\" ausführlich beschrieben, desto schwieriger ist es, es tatsächlich zu implementieren-es ist schwierig, einen vorgefertigten Widerstand zu finden und sicherzustellen, dass die PCB sichergestellt wird, dass die PCB sichergestellt wird Die Spur zur Verfolgung des parasitären Widerstandes ist größer als die RFB selbst. Wenn die Schaltungsspezifikationen die Verwendung von Widerständen von den Oberflächenmontagewiderständen sofort verwendet werden können und fortgeschrittene Layouttechniken (wie die Verwendung von Schutzbändern usw.) nicht erforderlich sind.

Wie bereits erwähnt, ist ein weiterer Faktorbeschränkung vonPiezo -KeramikzylinderZunahme des Widerstands ist Schaltungsverzerrung. Der Eingangsvorspannungsstrom des Verstärkers bildet eine Ausgangsspannung durch den Widerstand. Diese Spannung kann minimiert werden, indem Verstärker mit niedrigen Eingangssperrströmen wie FET -Eingangsverstärkern ausgewählt werden. Solange der Rückkopplungswiderstandswert weniger als 1 g Ω beträgt und die Wechselstromkupplung zwischen den Stufen zum Filtern des erzeugten Offsets verwendet werden kann, sollte der Eingangsspannungsstrom dieses Verstärkers (im Allgemeinen weniger als 100 Pa) kein Problem sein.

Bitte beachten Sie, dass es aufgrund der Schwierigkeit, den Hochpassfilter niedrig zu halten, immer schwieriger wird, piezoelektrische Sensoren in nahezu DC-Anwendungen zu verwenden (obwohl der Leckstrom des Sensors selbst sehr klein ist).

Obwohl es nicht Teil der Verstärkungsstufe ist, muss irgendwo ein Tiefpassfilter hinzugefügt werden, um die Reaktion der Schaltung auf unerwünschte Signale an der Resonanzfrequenz des Ultrsonic-Sensors zu verringern und gleichzeitig die Gesamtdigitalisierung und Aliasing-Rauschen im relevanten Frequenzband zu verringern.