Suche Ersatzschaltbild für Ultraschallwandler

[H.A.R.R.Y.]

Hallo Leute,

kann mir jemand Tips geben, wie ich ein Ersatzschaltbild einer gängigen 40kHz-Ultraschallkapsel "hinzaubere"? Der Impedanz- und Phasenverlauf ist in den wenigsten Datenblättern angegeben.

Das bei Reichelt zu findende Datenblatt scheint mir leider an der Stelle fehlerhaft zu sein - entweder stimmt nur die Legende nicht, oder die Legende und die Skalierung sind falsch.

Was ich vorhabe:
Einer der gängigen Schaltungs-Simulatoren soll mit diesem Sensor-Modell als Signalquelle den Frequenzgang verschiedener Verstärker durchspielen. Daraus will ich dann die für mich optimale Schaltung ermitteln.

[Rage_Empire]

Theoretisch mit einem Kondenstor, bin mit aber nicht ganz sicher

[H.A.R.R.Y.]

Okay, das erscheint logisch:
Ein Piezo-Wandler ist bei 0Hz hochohmig, also liegt schon mal ein ESB-Kondensator in Serie.

Insgesamt erwarte ich eine gewisse Ähnlichkeit zum ESB für Schwingquarze, damit der im Reichelt-Datenblatt angegebene Phasenverlauf überhaupt hinkommt. Nur irgendwas stimmt da nicht mit der Abbildung, da fehlt mir die "Serienresonanz".

Der Impedanzverlauf scheint mir eher zu einem LC-parallelschwingkreis zu passen...

Sind im ESB vielleicht zwei gekoppelte Resonanzkreise??


Und da ich den Empfangswandler modellieren möchte, muß da irgendwo auch noch die Wechselsapnnungsquelle hinein...

[Manf]

Wesentliche Information über einen Wandler ist in diesem Bild (versteckt?).
Der Resonanzkeis 40kHz, seine Güte, seine Kopplung mit der Umgebung und weitere Resoanzen, die aber hier nicht im Vordergrund stehen.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...?p=62747#62747

Manfred

Bild hier  

[H.A.R.R.Y.]

Um sicherzustellen, daß ich das Bild erstmal grundsätzlich verstanden habe:
* Die obere Spur zeigt die Spannung am Wandler bei einem Abstand vor der Wand, die darunter das gleiche bei einem anderen Abstand.
* Durch Vergleich der Spuren erfahre ich, daß bei 40kHz etwas mit der Wand interagiert, bei 50kHz dagegen nicht.
* Bei den Sweeps ist der Maßstab der x-Achse üblicherweise logarithmisch (ist das hier auch so?)
* Aus der Hüllkurve kann ich erkennen, wo die Maxima und die Minima liegen

Daraus kann ich dann mal versuchen abzuschätzen (ich hab's gerade gedruckt und bin mit dem Lineal zu Gange):
* Erstmal die Nullinie einpeilen, die ist ja etwas zum Schirmraster verschoben
* 4 Teilungen scheinen 10kHz zu entsprechen - logarithmisch!(?)
* Amplitude bei 50kHz (13mm), von da runter zu etwa 70% (~9mm)ergibt die -3dB-Punkte die etwa 3mm auseinanderliegen (42mm mißt die Dekade bei mir) -> 10kHz * 3mm / 42mm = ~700Hz Bandbreite und damit die Güte 50kHz / 700Hz = ~70 (ich weiß, das die Rechnung wegen der logarithmischen Teilung nicht ganz stimmt, es geht mir hier um die grundsätzliche Vorgehensweise)
* Etwas links vom Maximum ist ein Minimum zu erkennen: Wenn ich es mit dem logarithmischen Maßstab richtig umgerechnet habe, dann liegt es bei etwa 47kHz
-> Da muß ich jetzt mal genauer drüber nachdenken und schauen, welche Anordnung das am besten nachbildet. Erinnert mich spontan an den Impedanzverlauf beim Schwingquarz - ist ja auch Piezo

Also werde ich jetzt zuerst mal versuchen ein ESB für dieses Verhalten "hinzubiegen".

-> Weiterhin habe ich eine Art "Saugkreis", der bei 40kHz dem Resonator Energie entzieht oder auch nicht - für ein Modell des Empfangswandlers gehe ich davon aus, das über diesen "Saugkreis" die Energie hereinkommt. Damit wäre dann einigermaßen klar, wo die Signalspannungsquelle hinkommt.

[Manf]

Nur erst mal schnell: Die Frequenzskala ist einigernaßen linear.
Manfred

[H.A.R.R.Y.]

Okay, dann ist das Minimum bei etwa 48kHz, macht aber auch nicht viel aus.

Kann ich aus den Scope-Fotos auch auf den Phasengang schließen? Wenn ja, wie? Mir fehlt da die Erfahrung.

[Manf]

Die Bilder sehen immer wieder ähnlich aus, man wird es nacher aber doch spezifisch brauchen.
Wen die Phase daher kommt, dass das System erst später folgt, dann steigt sie von null aus mit der Frequenz an.
Bei einem einzelnen System 2. Ordnung geht sie auf 180°, umso steiler, je höher die Güte ist.
Bei Systemen höherer Ordnung wird es dann unübersichtlicher.
Manfred

http://images.google.de/images?q=pha...start=100&sa=N
Bild hier  

[H.A.R.R.Y.]

Ah ja, das hilft schon etwas. Mittlerweile habe ich auch den Graph aus dem Datenblatt verstanden (am Montag werde ich mal versuchen das Bildchen hier reinzupacken EDIT: Dank Manfreds posting ist das nicht mehr notwendig /EDIT). Die verwirrenden Linien sind der Phasengang (von -90° auf maximal etwa +45° und wieder retour auf -90°) und der Impedanzgang (minimal etwa 100Ohm bis maximal etwa 10kOhm). Ursprünglich hatte ich das andersherum verstanden.

Deine Scopeergebnisse habe ich mal versucht zu modellieren und tatsächlich einigermaßen hinbekommen, mit einem recht komplexen Netzwerk (Spannungsteiler mit 2x Quarz-ESB, auch hierzu am Montag mehr). Mir leuchtet nur noch nicht so ganz ein, wie ich das mit dem Datenblatt in Einklang bekomme, dort sind die Effekte zwischen 35kHz und 45kHz angegeben, mein Modell zeigt sie bei etwa 48kHz und 50kHz - passend zu den Scopeplots, ja sogar bei etwa 170kHz ist ein Minimum zu finden und das nächste Maximum bei etwa 210kHz (das paßt nicht so).

Welchen Widerstand hattest Du zwischen Generator und Wandler um die Scope-Plots zu bekommen, "hochohmig" kann alles mögliche sein? Wie hast Du die Frequenzachse "geeicht"?

[Manf]

Es ist schon ein bisschen her und an den genauen Widerstandswert kann ich mich jetzt nicht erinnern.
Grundsätzlich weiß ich noch, dass ich den Widerstand so lange vergrößert habe bis sich an der Kurvenform nichts mehr deutlich ändert. Also etwa 3x so groß wie der gütebestimmende interne Verlustwiderstand.

Die Frequenzachse ist die des Signalgenerators HM8030-3. Sie ist in Startfrequenz und Weite des Sweeps einstellbar. Der Sweep wurde generiert durch Anschluß des Sägezahnsignals des Oszilloskops an den Sweep Eingang des Signalgenerators.

Geeicht wurde die Frequenzachse am Objekt durch statische Messung der Resonanzfrequenzen und Beschriftung im Bild.
Manfred