Condicionamento de sinal de sensores ultra-sônicos piezoelétricos

Sensor piezoelétrico

A aplicação de sensores piezoelétricos para detecção e excitação se estende a muitas áreas. Este artigo introduz principalmente a indução de algumas intensidades físicas, nomeadamente aceleração, vibração, oscilação e pressão, que podem ser consideradas semelhantes a partir da perspectiva do sensor e do seu ajuste de sinal necessário. Em termos de aceleração, a sensibilidade do sensor ultrassônico é geralmente expressa como uma carga proporcional à força ou aceleração externa (chamada aceleração devido à gravidade a maior parte do tempo). No entanto, em um estrito sentido físico, o sensor ultra-sônico produz uma carga que é realmente determinada por sua deformação / deflexão. Mostrando A.Sensor de cerâmica piezo.instalado na posição superior, enquanto a parte inferior está sendo puxada por uma força externa. No caso de usar um acelerômetro, a extremidade fixa (superior) vai atender ao objeto a ser medido de aceleração e, ao mesmo tempo, a força externa é a inércia da massa aderindo à outra extremidade (inferior), e este fim constantemente quer permanecer imóvel. No que diz respeito ao sistema de coordenadas de referência no topo (assumindo que o sensor atua como uma mola com uma constante de primavera alta K), a deflexão x formará uma força de reação:

Fint = KX (1)

Em última análise, a massa (sensor ultrassônico) parará de mover / mudar sob as seguintes condições:

Fint = FEXT = KX (2)

Como a carga q é proporcional à deflexão (primeira ordem), e a deflexão é proporcional à força, Q também é proporcional à força. Uma força sinusoidal com um valor máximo do FMAX formará uma carga sinusoidal com um valor máximo de Qmax. Em outras palavras, quando a força seno é em seu valor máximo, a corrente do sensor pode ser integrada para obter Qmax. Aumentar a frequência da onda senoidal aumentará a corrente; Mas chegará ao pico mais rápido, ou seja, manter a constante integral (Qmax). Faixa de frequência do sensor ultra-sônico para especificar a especificação de sensibilidade. No entanto, devido às propriedades mecânicas do sensor, o sensor realmente tem uma frequência ressonante (acima da faixa de freqüência utilizável), e até mesmo uma pequena força de oscilação produzirá uma deflexão relativamente grande, resultando em uma amplitude de saída grande. Se ignorarmos o Efeito da ressonância, podemos modelar o sensor piezoelétrico como uma fonte atual em paralelo com a capacitância parasita do sensor (aqui referido como CD), ou modele-o como uma fonte de tensão em série com CD. Esta tensão é a tensão equivalente vista no ânodo do sensor ao armazenar carga. No entanto, precisamos prestar atenção ao fato de que o segundo método é mais simples em termos de simulação de muitas aplicações. Como mencionado anteriormente, a corrente é proporcional à taxa de mudança de inclinação; Para uma curva CA sinusoidal com aceleração de amplitude constante, a amplitude do gerador atual deve ser alterada de acordo com a frequência.

Finalmente, se tal gerador precisar representar o sinal físico real, um transformador pode ser usado. Neste exemplo, modelamos um gerador com sensibilidade de 0,5 pc / g e capacitância parasita de 500pf. O gerador de ondas senoúdos gera 1V por unidade g para realizar a simulação. O transformador ajusta-o para 1mv em sua bobina secundária. O balanço de 1mv será injetado na próxima etapa como esperávamos q = vc = 0,5 pc.

Análise do amplificador de carga

Mostrando o princípio básico de um amplificador de carga clássico, que pode ser usado como um circuito de condicionamento de sinal. Nesse caso, escolhemos o modelo de origem atual, indicando que o sensor ultrassônico é principalmente um dispositivo com alta impedância de saída.

Resistência de entrada

O circuito de condicionamento de sinal deTransdutor de disco cerâmico piezo

Deve ter uma impedância de entrada não baixa para coletar a maior parte da saída de carga do sensor. Portanto, um amplificador de carga é uma solução ideal, porque, desde que o amplificador mantenha um alto ganho nessas freqüências de sinal, sua entrada fará com que o sinal do sensor pareça o solo virtual. Em outras palavras, se alguma cobrança do sensor quiser aumentar no ânodo do sensor (CD) ou capacitância parasita do amplificador (CA), uma tensão será formada na entrada do amplificador. Ao puxar ou desenhar a mesma quantidade de atualização negativa de carga de carga atual, nomeadamente RFB e CFB, esta voltagem é imediatamente compensada.

Ganho

Como a entrada do sinal do amplificador é terra virtual, a corrente de entrada forma um tipo de balanço de tensão de saída; e o ganho de alta frequência é definido pelo valor da CFB (influência RFB é reduzido, o que será descrito posteriormente na parte \"largura de banda \"). Por favor, note que o menor a capacitância.Alguns observam que o ganho do circuito não depende da capacitância (CD) do sensor ultrassônico, mas é melhor prestar atenção ao efeito desse valor no ruído.

largura de banda

Para poder limitar o amplificador corretamente (fornecer um caminho DC para a corrente de entrada de entrada do amplificador), é necessário um resistor de feedback (RF). Em freqüências mais baixas, o circuito capacitivo do caminho de feedback torna-se um circuito aberto, e a resistência de feedback torna-se a principal resistência, reduzindo assim o ganho. Em freqüências mais altas, a impedância do circuito do capacitor se torna menor, eliminando assim a influência do caminho de feedback da resistência. A resposta final do circuito à excitação física AC (incluindo a capacitância parasita do sensor) é a resposta do filtro de alta passagem.

A largura de banda de sinal relevante é determinada pelo aplicativo. Portanto, reduzindo a capacitância para aumentar o ganho, também é necessário aumentar a resistência para manter a frequência do poste. Adicionar resistência afetará outros aspectos da solução. Além de afetar o ruído (descrito em detalhes na seção \"ruído \"), maior a resistência, mais difícil é realmente implementá-lo - é difícil encontrar uma resistência pronta e garantir que o PCB Trace para rastrear a resistência parasitária é maior que o próprio RFB. Se as especificações do circuito permitirem o uso de resistores, os resistores de montagem de superfície podem ser usados ​​imediatamente, e técnicas de layout avançadas (como o uso de bandas de guarda, etc.) não são necessárias.

Como mencionado anteriormente, outro fatores limitadores deCilindro cerâmico piezo.Aumentos na resistência é viés de circuito. A corrente de viés de entrada do amplificador forma uma tensão de limite de saída através do resistor. Esta tensão pode ser minimizada escolhendo amplificadores com baixas correntes de viés de entrada, como os amplificadores de entrada FET. Enquanto o valor do resistor de feedback for inferior a 1gΩ, e o acoplamento CA entre os estágios pode ser usado para filtrar o deslocamento gerado, a corrente de viés de entrada deste amplificador (geralmente menor que 100PA) não deve ser problema.

Observe que, devido à dificuldade de manter a baixa frequência do filtro de alta passagem, está se tornando cada vez mais difícil usar sensores piezoelétricos em aplicativos próximos a DC (embora a corrente de vazamento do próprio sensor seja muito pequena).

Embora não seja parte do estágio de amplificação, um filtro de baixa passagem precisa ser adicionado em algum lugar para reduzir a resposta do circuito a sinais indesejados na frequência de ressonância do sensor ultrsônico, reduzindo a digitalização total e o ruído do aliasing na faixa de freqüência relevante.