Conditionnement du signal des capteurs à ultrasons piézoélectriques

Capteur piézoélectrique

L'application de capteurs piézoélectriques pour la détection et l'excitation s'étend à de nombreuses zones. Cet article introduit principalement l'induction de certaines intensités physiques, à savoir l'accélération, les vibrations, l'oscillation et la pression, qui peuvent être considérées comme similaires dans le point de vue du capteur et son ajustement du signal requis. En termes d'accélération, la sensibilité au capteur ultrasonique est généralement exprimée comme une charge proportionnelle à la force ou à l'accélération externe (appelée accélération due à la gravité la plupart du temps). Cependant, dans un sens physique strict, le capteur à ultrasons offre une charge qui est réellement déterminée par sa déformation / déviation. Montrant uncapteur en céramique piézoInstallé en position supérieure, tandis que le fond est tiré par une force externe. Dans le cas de l'utilisation d'un accéléromètre, l'extrémité fixe (en haut) collera à l'objet à mesurer l'accélération, et en même temps la force externe est l'inertie de la masse adhérant à l'autre extrémité (en bas), et cette extrémité veut constamment rester immobile. En ce qui concerne le système de coordonnées de référence fixé en haut (en supposant que le capteur agit comme un ressort avec une constante de ressort élevée k), la déviation x formera une force de réaction:

FINT = KX (1)

En fin de compte, la masse (capteur à ultrasons) cessera de se déplacer / changer dans les conditions suivantes:

Fint = fext = kx (2)

Étant donné que la charge Q est proportionnelle à la déviation (premier ordre) et que la déviation est proportionnelle à la force, q est également proportionnel à la force. Une force sinusoïdale avec une valeur maximale de FMAX formera une charge sinusoïdale avec une valeur maximale de Qmax. En d'autres termes, lorsque la force sinusoïdale est à sa valeur maximale, le courant du capteur peut être intégré pour obtenir Qmax. L'augmentation de la fréquence de l'onde sinusoïdale augmentera le courant; Mais il atteindra le pic plus rapidement, c'est-à-dire en gardant la constante intégrale (Qmax). Plage de fréquence du capteur ultrasonique pour spécifier la spécification de sensibilité. Cependant, en raison des propriétés mécaniques du capteur, le capteur a en fait une fréquence de résonance (au-dessus de la plage de fréquences utilisable), et même une petite force d'oscillation produira une déviation relativement importante, entraînant une grande amplitude de sortie. Si nous ignorons les Effet de la résonance, nous pouvons modéliser le capteur piézoélectrique comme source de courant parallèle à la capacité parasite du capteur (ici appelé CD), ou le modéliser comme source de tension en série avec CD. Cette tension est la tension équivalente observée sur l'anode du capteur lors du stockage de la charge. Cependant, nous devons prêter attention au fait que la deuxième méthode est plus simple en termes de simulation de nombreuses applications. Comme mentionné précédemment, le courant est proportionnel au taux de changement de biais; Pour une courbe CA sinusoïdale avec une accélération d'amplitude constante, l'amplitude du générateur actuel doit être modifiée en fonction de la fréquence.

Enfin, si un tel générateur doit représenter le signal physique réel, un transformateur peut être utilisé. Dans cet exemple, nous avons modélisé un générateur avec une sensibilité de 0,5 pc / g et une capacité parasite de 500 pf. Le générateur d'onde sinusoïdale sortira 1 V par unité G pour réaliser la simulation. Le transformateur l'ajuste à 1 mV dans sa bobine secondaire. Le swing 1mV sera injecté dans la prochaine étape comme nous nous attendions à Q = VC = 0,5 pc.

Analyse de l'amplificateur de charge

Montrant le principe de base d'un amplificateur de charge classique, qui peut être utilisé comme circuit de conditionnement du signal. Dans ce cas, nous choisissons le modèle de source actuel, indiquant que le capteur à ultrasons est principalement un appareil avec une impédance de sortie élevée.

résistance à l'entrée

Le circuit de conditionnement du signal deTransducteur du disque en céramique piézo

Doit avoir une impédance d'entrée non basse pour collecter la majeure partie de la sortie de charge du capteur. Par conséquent, un amplificateur de charge est une solution idéale, car tant que l'amplificateur maintient un gain élevé à ces fréquences de signal, son entrée fera apparaître le signal du capteur. En d'autres termes, si une charge du capteur veut augmenter sur l'anode du capteur (CD) ou l'entrée parasite de la capacité parasite (CA), une tension sera formée à l'entrée de l'amplificateur. En tirant ou en dessinant la même quantité de courant de charge de réseau de rétroaction négative, à savoir RFB et CFB, cette tension est immédiatement compensée.

Gain

Étant donné que l'entrée du signal de l'amplificateur est la masse virtuelle, le courant d'entrée forme un type de swing de tension de sortie; et le gain à haute fréquence est défini par la valeur de CFB (l'influence RFB est réduite, qui sera décrite plus loin dans la partie \"Bandwidth \"). Veuillez noter que plus la capacité est petite. Notez également que le gain de circuit ne dépend pas du tout de la capacité (CD) du capteur à ultrasons, mais il est préférable de prêter attention à l'effet de cette valeur sur le bruit.

bande passante

Afin de pouvoir biaiser correctement l'amplificateur (fournir un chemin CC pour le courant de biais d'entrée de l'amplificateur), une résistance de rétroaction (RF) est requise. À des fréquences plus basses, le circuit capacitif du chemin de rétroaction devient un circuit ouvert, et la résistance à la rétroaction devient la principale résistance, réduisant ainsi efficacement le gain. À des fréquences plus élevées, l'impédance du circuit de condensateur devient plus petite, éliminant ainsi efficacement l'influence du chemin de rétroaction de résistance. La réponse du circuit final à l'excitation physique AC (y compris la capacité parasite du capteur) est la réponse du filtre passe-haut.

La bande passante de signal pertinente est déterminée par l'application. Par conséquent, tout en réduisant la capacité pour augmenter le gain, il est également nécessaire d'augmenter la résistance pour maintenir la fréquence des pôles bas. L'ajout de résistance affectera d'autres aspects de la solution. En plus d'affecter le bruit (décrit en détail dans la section \"bruit \"), plus la résistance est élevée, plus il est difficile de l'implémenter - il est difficile de trouver une résistance à l'emploi et de garantir que le PCB La trace pour tracer la résistance parasite est supérieure à la RFB elle-même. Si les spécifications du circuit permettent l'utilisation de résistances de, les résistances de montage de surface peuvent être utilisées immédiatement et des techniques de mise en page avancées (telles que l'utilisation de bandes de garde, etc.) ne sont pas nécessaires.

Comme mentionné précédemment, un autre facteur limitantcylindre en céramique piézoL'augmentation de la résistance est le biais du circuit. Le courant de biais d'entrée de l'amplificateur forme une tension de biais de sortie à travers la résistance. Cette tension peut être minimisée en choisissant des amplificateurs avec de faibles courants de biais d'entrée, tels que les amplificateurs d'entrée FET. Tant que la valeur de la résistance de rétroaction est inférieure à 1 gΩ et que le couplage AC entre les étapes peut être utilisé pour filtrer le décalage généré, le courant de biais d'entrée de cet amplificateur (généralement moins de 100pa) ne devrait pas être un problème.

Veuillez noter qu'en raison de la difficulté de maintenir la basse fréquence du filtre passe-haut, il devient de plus en plus difficile d'utiliser des capteurs piézoélectriques dans les applications proches de DC (bien que le courant de fuite du capteur lui-même soit très petit).

Bien que cela ne fasse pas partie de la phase d'amplification, un filtre passe-bas doit être ajouté quelque part pour réduire la réponse du circuit aux signaux indésirables à la fréquence de résonance du capteur ultresonique, tout en réduisant la numérisation totale et le bruit d'aliasing dans la bande de fréquence pertinente.