Acondicionamiento de señal de sensores ultrasónicos piezoeléctricos

Sensor piezoeléctrico

La aplicación de los sensores piezoeléctricos para detectar y de excitación se extiende a muchas áreas. Este artículo presenta principalmente la inducción de algunas intensidades físicas, a saber, la aceleración, la vibración, la oscilación y la presión, que pueden ser considerados similares desde la perspectiva del sensor y su regulación de la señal requerida. En términos de aceleración, la sensibilidad del sensor de ultrasonidos se expresa generalmente como una carga proporcional a la fuerza externa o la aceleración (llamado aceleración de la gravedad mayor parte del tiempo). Sin embargo, en un sentido estrictamente físico, el sensor de ultrasonidos da salida a una carga que en realidad está determinada por su deformación / deflexión. Mostrando unaSensor de cerámica PIZOinstalado en la posición superior, mientras que la parte inferior está siendo arrastrado por una fuerza externa. En el caso de utilizar un acelerómetro, el extremo fijo (parte superior) se pegará al objeto a ser aceleración medida, y al mismo tiempo la fuerza externa es la inercia de la masa se adhiere al otro extremo (inferior), y este extremo constantemente quiere permanecer inmóvil. En lo que a la coordenada de referencia del sistema se fija en la parte superior (suponiendo que el sensor actúa como un resorte con una constante K de resorte alta), la desviación x formarán una fuerza de reacción:

Fint = Kx (1)

En última instancia, la masa (sensor ultrasónico) dejará de moverse / cambio en las condiciones siguientes:

Fint = Fext = Kx (2)

Desde la carga Q es proporcional a la deflexión (primer orden), y la deflexión es proporcional a la fuerza, Q también es proporcional a la fuerza. Una fuerza sinusoidal con un valor máximo de Fmax formará una carga sinusoidal con un valor máximo de Qmax. En otras palabras, cuando la fuerza sinusoidal está en su valor máximo, la corriente del sensor se puede integrar para obtener Qmax. El aumento de la frecuencia de la onda sinusoidal se incrementará la corriente; pero alcanzará el pico más rápido, es decir, manteniendo la constante integral (Qmax). rango de frecuencia del sensor de ultrasonidos para especificar la especificación de la sensibilidad. Sin embargo, debido a las propiedades mecánicas del sensor, el sensor en realidad tiene una frecuencia de resonancia (por encima del rango de frecuencia útil), e incluso una pequeña fuerza de oscilación producirá una deflexión relativamente grande, lo que resulta en una salida de gran amplitude.If ignoramos la efecto de resonancia, se puede modelar el sensor piezoeléctrico como fuente de corriente en paralelo con la capacitancia parásita del sensor (en el presente documento se hace referencia como Cd), o modelar como una fuente de tensión en serie con Cd. Esta tensión es la tensión equivalente visto en el ánodo del sensor cuando almacenar carga. Sin embargo, tenemos que prestar atención al hecho de que el segundo método es más simple en términos de simulación de muchas aplicaciones. Como se mencionó anteriormente, la corriente es proporcional a la velocidad de cambio de inclinación; para una curva AC sinusoidal con una aceleración de amplitud constante, la amplitud del generador de corriente debe ser cambiada de acuerdo a la frecuencia.

Finalmente, si tal generador necesita representar la señal física real, se puede usar un transformador. En este ejemplo, modelamos un generador con sensibilidad de 0.5pc / g y una capacitancia parásita de 500PF. El generador de onda sinusoidal sale 1V por unidad G para realizar la simulación. El transformador lo ajusta a 1MV en su bobina secundaria. El swing de 1MV se inyectará en la siguiente etapa, ya que esperábamos Q = VC = 0.5 PC.

Análisis del amplificador de carga

Mostrando el principio básico de un amplificador de carga clásico, que se puede usar como un circuito de acondicionamiento de señales. En este caso, elegimos el modelo de fuente actual, lo que indica que el sensor ultrasónico es principalmente un dispositivo con alta impedancia de salida.

resistencia de entrada

El circuito de acondicionamiento de la señal deTransductor de disco cerámico piezo.

Debe tener una impedancia de entrada no baja para recoger la mayor parte de la salida de carga del sensor. Por lo tanto, un amplificador de carga es una solución ideal, ya que siempre que el amplificador mantenga una ganancia alta en estas frecuencias de señal, su entrada hará que la señal del sensor aparezca un terreno virtual. En otras palabras, si alguna carga del sensor desea aumentar en el anodo del sensor (CD) o en la capacitancia parasitaria de entrada del amplificador (CA), se formará un voltaje en la entrada del amplificador. Al extraer o dibujar la misma cantidad de corriente de carga de retroalimentación negativa, a saber, RFB y CFB, este voltaje se compensa inmediatamente.

Ganar

Debido a que la entrada de señal del amplificador es un terreno virtual, la corriente de entrada forma un tipo de giro de voltaje de salida; Y la ganancia de alta frecuencia se establece mediante el valor de la CFB (se reduce la influencia RFB, que se describirá más adelante en la parte \"Ancho de banda\"). Tenga en cuenta que cuanto menor sea la capacitancia. También tenga en cuenta que la ganancia del circuito no depende de la capacitancia (CD) del sensor ultrasónico en absoluto, pero es mejor prestar atención al efecto de este valor en el ruido.

banda ancha

Para poder sesgar el amplificador correctamente (proporcionar una ruta de CC para la corriente de sesgo de entrada del amplificador), se requiere una resistencia de retroalimentación (RF). A frecuencias más bajas, el circuito capacitivo de la ruta de retroalimentación se convierte en un circuito abierto, y la resistencia de retroalimentación se convierte en la resistencia principal, lo que reduce efectivamente la ganancia. A frecuencias más altas, la impedancia del circuito del condensador se vuelve más pequeño, eliminando efectivamente la influencia de la trayectoria de retroalimentación de resistencia. La respuesta del circuito final a la excitación física de CA (incluida la capacitancia parásita del sensor) es la respuesta del filtro de paso alto.

El ancho de banda de señal relevante está determinado por la aplicación. Por lo tanto, al tiempo que reduce la capacitancia para aumentar la ganancia, también es necesario aumentar la resistencia para mantener la frecuencia del polo baja. Agregar resistencia afectará otros aspectos de la solución. Además de afectar el ruido (descrito en detalle en la sección \"ruido \"), mayor será la resistencia, más difícil es implementarlo, es difícil encontrar una resistencia preparada y para garantizar que la PCB La traza para trazar la resistencia parasitaria es mayor que la RFB en sí. Si las especificaciones del circuito permiten el uso de resistencias de, las resistencias de montaje en la superficie se pueden usar inmediatamente, no se requieren técnicas de diseño avanzadas (como el uso de bandas de protección, etc.).

Como se mencionó anteriormente, otro factor limitante deCilindro cerámico PIZOLos aumentos en la resistencia son el sesgo del circuito. La corriente de sesgo de entrada del amplificador forma una voltaje de sesgo de salida a través de la resistencia. Este voltaje se puede minimizar seleccionando amplificadores con corrientes de polarización de entrada bajas, tales como amplificadores de entrada FET. Mientras el valor de resistencia de retroalimentación sea inferior a 1GΩ, y el acoplamiento de CA entre las etapas se puede usar para filtrar el desplazamiento generado, entonces la corriente de sesgo de entrada de este amplificador (generalmente menos de 100PA) no debe ser un problema.

Tenga en cuenta que debido a la dificultad de mantener la baja frecuencia de filtro de paso alto, es cada vez más difícil usar sensores piezoeléctricos en aplicaciones cercanas a CC (aunque la corriente de fuga del sensor en sí es muy pequeña).

Aunque no es parte de la etapa de amplificación, se debe agregar un filtro de paso bajo en algún lugar para reducir la respuesta del circuito a las señales no deseadas a la frecuencia de resonancia del sensor ultrsónico, al tiempo que reduce la digitalización total y el ruido de alias en la banda de frecuencia relevante.