ВБУДОВАНА СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВИХ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ СЕНСОРІВ З ФУНКЦІЄЮ САМОДІАГНОСТИКИ

Роман Голяка; Mykola Brych; O.Adamiak; Yurii Shliusar; Nazariy Barylo

Інформативним сигналом переважної більшості сенсорів на п’єзоелектричних перетворювачах є час (тривалість) прольоту ToF (Time-of-Flight) ультразвукових коливань, а його формування реалізується методом вимірювання затримки t між випроміненим актуатором та прийнятим сенсором імпульсами цих коливань. Однак процеси формування цього інформативного сигналу та електронні засоби реалізації цих процесів характеризується значним впливом сторонніх факторів, компенсація яких в значній мірі є проблематичною. У відповідності до цієї проблеми в даній роботі вирішується задача вбудованої самодіагностики сигнальних перетворювачів п’єзоелектричних сенсорів. Використовуються методи інтелектуалізації процесів вимірювання на основі теорії надлишковості та її подальшому розвитку в галузі інформатики, вимірювальної техніки, сенсорики.Пропонується доповнити вхідний сигнальний тракт сенсорного пристрою спеціалізованою схемою активації власних автоколивань п’єзоелектричного перетворювача. Запропонований метод базується на моніторингу перехідних процесів та осциляції на частоті власних коливань п’єзоелектричних перетворювачів при періодичному перемиканні останніх на вхід трансімпедансного підсилювача TIA (Transimpedance Amplifier). У відповідності до запропонованого рішення трансімпедансний підсилювач використовується для формування затухаючих автоколивань, за частотою, амплітудою та швидкістю затухання яких відслідковують дрейф параметрів п’єзоелектричного перетворювача.Вирішена задача оптимізації режимів функціонування схемного вузла на основі трансімпедансного підсилювача за критерієм максимальної ефективності формування інформативного сигналу стабільності функціонування п’єзоелектричних перетворювачів. Сигнальний тракт вбудованої системи ультразвукових п’єзоелектричних сенсорів з функцією самодіагностики UCQD (U-sound Front-end with in-situ CQ Diagnostic) реалізовано з використанням програмованої системи на кристалі PSoC (Programmable System on Chip) серії PSoC 5LP (Cypres, Infineon Technologies).

п’єзоелектричний сенсор

[1] Roy, R.K., Hazarika, N. and Bezboruah, T., 2023. Ultrasonic Sensor-Based Weight Measurement Using Extension Spring. IEEE Sensors Letters, 7(9), pp.1-4. doi: 10.1109/LSENS.2023.3307113.

[2] Horsley, D.A. et al., 2016. Ultrasonic fingerprint sensor based on a PMUT array bonded to CMOS circuitry. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Tours, France, pp.1-4. doi: 10.1109/ULTSYM.2016.7728817.

[3] Tong, Z., Wu, Z., Zhang, S., Liu, H. and Lou, L., 2021. A Flexible Ultrasonic Sensor Based on Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers (pMUTs). 2021 22nd International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), Xiamen, China, pp.1-4. doi: 10.1109/ICEPT52650.2021.9567942.

[4] Addabbo, T. et al., 2019. A LoRa-based IoT Sensor Node for Waste Management Based on a Customized Ultrasonic Transceiver. 2019 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), Sophia Antipolis, France, pp.1-6. doi: 10.1109/SAS.2019.8705980.

[5] Klambauer, R. and Bergmann, A., 2017. A new principle for an ultrasonic flow sensor for harsh environment. 2017 IEEE SENSORS, Glasgow, UK, pp.1-3. doi: 10.1109/ICSENS.2017.8234394.

[6] Kesuma, H., Ahmadi-Pour, S., Zimmerman, H.-J., Joseph, A. and Weis, P., 2019. Ultrasonic Wireless Sensor Network for Human Habitation in Deep Space Mission. 2019 IEEE International Conference on Wireless for Space and Extreme Environments (WiSEE), Ottawa, ON, Canada, pp.122-127. doi: 10.1109/WiSEE.2019.8920364.

[7] Holst, C.-A. and Lohweg, V., 2020. A Redundancy Metric based on the Framework of Possibility Theory for Technical Systems. 2020 25th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Vienna, Austria, pp.1571-1578. doi: 10.1109/ETFA46521.2020.9212080.

[8] Niu, X. and Quinn, C.J., 2020. Synergy and Redundancy Duality Between Gaussian Multiple Access and Broadcast Channels. 2020 International Symposium on Information Theory and Its Applications (ISITA), Kapolei, HI, USA, pp.6-10.

[9] Saponara, S., Petri, E., Fanucci, L. and Terreni, P., 2009. Smart transducer interface in embedded systems for networked sensors based on the emerging IEEE 1451 Standard: H2 Detection Case Study. 2009 Seventh Workshop on Intelligent solutions in Embedded Systems, Ancona, Italy, pp.49-55.

[10]Fouad, H. and Kamel, H., 2021. A Proposed end to end Telemedicine System based on embedded system and mobile application using CMOS wearable sensors. 2021 International Telecommunications Conference (ITC-Egypt), Alexandria, Egypt, pp.1-6. doi: 10.1109/ITC-Egypt52936.2021.9513888.

[11]Czaja, Z., 2007. Using a square-wave signal for fault diagnosis of analog parts of mixed-signal embedded systems controlled by microcontrollers. 2007 IEEE Instrumentation & Measurement Technology Conference IMTC 2007, Warsaw, Poland, pp.1-6. doi: 10.1109/IMTC.2007.379196.

[12]Mosin, S., 2018. Entropy-based method of reducing the training set dimension at constructing a neuromorphic fault dictionary for analog and mixed-signal ICs. 2018 7th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), Budva, Montenegro, pp.1-4. doi: 10.1109/MECO.2018.8406093.

[13]Singha, S., Singh, A.S., Prasad, S. and Alam, A., 2019. A Study on Power Optimization Techniques in PSoC. 2019 International Conference on Communication and Signal Processing (ICCSP), Chennai, India, pp.0225-0229. doi: 10.1109/ICCSP.2019.8698070.

[14]TaŞci, B. and Erol, Y., 2019. Wireless Elevator Call System Design With PSoC. 2019 International Conference on Applied Automation and Industrial Diagnostics (ICAAID), Elazig, Turkey, pp.1-5. doi: 10.1109/ICAAID.2019.8934958.

[15]Darwish, M. and Pohl, L., 2023. SPICE Modeling of Insulator-Metal Transition Devices with Hysteresis. 2023 29th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC), Budapest, Hungary, pp.1-5. doi: 10.1109/THERMINIC60375.2023.10325868.

[16]Texas Instruments Incorporated, Simulation SPICE Models for Op Amps - Application Report. Available at: https://www.ti.com/lit/an/snoa368b/snoa368b.pdf.

[17]Analog Devices, Quad Transimpedance Amplifier with Input Current Clamp. Available at: https://www.analog.com/en/products/max40662.html?ADICID=SYND_WW_P682800_PF-octopart.