Кондиционирование сигнала пьезоэлектрических ультразвуковых датчиков

Пьезоэлектрический датчик

Применение пьезоэлектрических датчиков для зондирования и возбуждения распространяется на многие области. Эта статья в основном вводит индукцию некоторых физических интенсивностей, а именно ускорения, вибрации, колебаний и давления, которые можно считать аналогичным с точки зрения датчика и его необходимой регулировки сигнала. С точки зрения ускорения, чувствительность ультразвукового датчика обычно выражается как заряд, пропорциональный внешней силе или ускорению (называется ускорением из -за гравитации большую часть времени). Однако в строгом физическом смысле ультразвуковой датчик выводит заряд, который фактически определяется его деформацией/отклонениями. Показывает аПьезой керамический датчикУстановлено в верхнем положении, в то время как дно тянут внешней силой. В случае использования акселерометра фиксированный конец (вверху) будет придерживаться объекта для измерения ускорения, и в то же время внешняя сила является инерцией массового прилипания к другому концу (внизу), и этот конец Постоянно хочет оставаться неподвижным. Что касается контрольной системы координат вверху (при условии, что датчик действует как пружина с высокой константой пружины k), отклонение x образует силу реакции:

Fint = kx (1)

В конечном счете, масса (ультразвуковой датчик) перестанет перемещаться/изменять в следующих условиях:

Fint = fext = kx (2)

Поскольку заряд Q пропорционален отклонения (первый порядок), а отклонение пропорционально силу, Q также пропорциональна силу. Синусоидальная сила с максимальным значением FMAX будет образовывать синусоидальный заряд с максимальным значением QMAX. Другими словами, когда синусная сила находится в максимальном значении, ток от датчика может быть интегрирован для получения QMax. Увеличение частоты синусоидальной волны увеличит ток; Но он достигнет пика быстрее, то есть сохраняя интегральную (QMAX) постоянную. Частотный диапазон ультразвукового датчика для указания спецификации чувствительности. Однако из -за механических свойств датчика датчик фактически обладает резонансной частотой (выше используемого диапазона частот), и даже небольшая сила колебаний приведет к относительно большому отклонению, что приведет к большой выходной амплитуде. Если мы игнорируем Эффект резонанса, мы можем смоделировать пьезоэлектрический датчик как источник тока параллельно с паразитной емкостью датчика (здесь называемый CD) или моделировать его как источник напряжения последовательно с CD. Это напряжение является эквивалентным напряжением, наблюдаемом на аноде датчика при хранении заряда. Тем не менее, нам нужно обратить внимание на тот факт, что второй метод проще с точки зрения моделирования многих приложений. Как упоминалось ранее, ток пропорционален скорости изменения перекоса; Для синусоидальной кривой переменного тока с постоянным ускорением амплитуды амплитуда текущего генератора должна быть изменена в соответствии с частотой.

Наконец, если такой генератор должен представлять фактический физический сигнал, можно использовать трансформатор. В этом примере мы смоделировали генератор с чувствительностью 0,5 процента/г и паразитной емкостью 500pf. Генератор синусоидации выводит 1 В на единицу G, чтобы реализовать моделирование. Трансформатор регулирует его до 1 мВ в своей вторичной катушке. 1 МВ свинг будет введен на следующем этапе, так как мы ожидали Q = VC = 0,5 шт.

Анализ усилителя заряда

Показывая основной принцип классического усилителя заряда, который можно использовать в качестве схемы кондиционирования сигнала. В этом случае мы выбираем текущую модель источника, указывая на то, что ультразвуковой датчик является в основном устройством с высоким выходным импедансом.

входное сопротивление

Схема кондиционирования сигналапьезо керамический датчик диска

Должен иметь невидимый входной импеданс для сбора большей части вывода заряда датчика. Следовательно, усилитель заряда является идеальным решением, потому что до тех пор, пока усилитель поддерживает высокое усиление на этих частотах сигнала, его вход приведет к появлению виртуального основания сигнал датчика. Другими словами, если какой -либо заряд датчика хочет увеличить анод датчика (CD) или входной паразитной емкости усилителя (CA), на входе усилителя будет сформировано напряжение. Вытягивая или нарисовав то же количество отрицательного тока сети обратной связи, а именно RFB и CFB, это напряжение немедленно компенсируется.

Прирост

Поскольку вход сигнала усилителя является виртуальным заземлением, входной ток образует своего рода размер выходного напряжения; и высокочастотный усиление устанавливается значением CFB (влияние RFB уменьшается, что будет описано позже в части \"полоса пропускания \"). Обратите внимание, что меньше емкость. Также отметьте, что усиление схемы не зависит от емкости (CD) ультразвукового датчика вообще, но лучше обратить внимание на влияние этого значения на шум.

пропускная способность

Чтобы иметь возможность правильно сметить усилитель (обеспечить путь постоянного тока для тока ввода усилителя), требуется резистор обратной связи (RF). На более низких частотах емкостная схема пути обратной связи становится открытой схемой, и сопротивление обратной связи становится основным сопротивлением, тем самым эффективно уменьшая усиление. На более высоких частотах импеданс цепи конденсатора становится меньше, тем самым эффективно устраняя влияние пути обратной связи сопротивления. Окончательный отклик схемы на физическое возбуждение переменного тока (включая паразитарную емкость датчика) является реакцией фильтра высокого прохождения.

Соответствующая пропускная способность сигнала определяется применением. Следовательно, при снижении емкости для увеличения усиления, также необходимо увеличить сопротивление, чтобы поддерживать низкую частоту полюса. Добавление сопротивления повлияет на другие аспекты решения. В дополнение к влиянию шума (подробно описано в разделе \"шума \"), чем выше сопротивление, тем сложнее на самом деле реализовать его-трудно найти готовое сопротивление и убедиться, что печатная плата След, чтобы отслеживать паразитическое сопротивление больше, чем сам RFB. Если спецификации схемы позволяют использовать резисторы, поверхностные монтажные резисторы могут быть использованы немедленно, и не требуются расширенные методы макета (например, использование охраняемых полос и т. Д.).

Как упоминалось ранее, еще один фактор, ограничивающийПьезо керамический цилиндрУвеличение сопротивления - это смещение цепи. Ток входного смещения усилителя образует выходное напряжение смещения через резистор. Это напряжение может быть сведено к минимуму путем выбора усилителей с низкими токами смещения, такими как входные усилители FET. До тех пор, пока значение резистора обратной связи составляет менее 1GОм, а соединение переменного тока между этапами может использоваться для фильтрации сгенерированного смещения, то ток входного смещения этого усилителя (как правило, менее 100pa) не должен быть проблемой.

Обратите внимание, что из-за сложности поддержания низкой частоты фильтра на высоком уровне он становится все более и сложнее использовать пьезоэлектрические датчики в приложениях вблизи постоянного тока (хотя ток утечки самого датчика очень мал).

Хотя это не является частью стадии усиления, необходимо добавить фильтр низкого уровня, чтобы уменьшить реакцию цепи на нежелательные сигналы на частоте резонанса Ultrsonic датчика, при этом уменьшая общую оцифровку и подсеивание шума в соответствующей полосе частоты.