一文詳解IEPE傳感器

在本文中，我們將查看可用于為IEPE傳感器供電的典型電源單元圖。我們還將了解IEPE類型和電荷輸出傳感器的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

為IEPE傳感器供電—電流調(diào)節(jié)二極管

圖1顯示了可與IEPE傳感器一起使用的電源裝置的基本示意圖。

圖1.帶有IEPE傳感器的電源單元的示例框圖。

首先，需要一個(gè)經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的直流電源以及一個(gè)電流調(diào)節(jié)電路來為傳感器供電。直流電源通常提供18至30V之間的電壓。如圖所示，可以通過電流調(diào)節(jié)二極管（CRD）實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。CRD是提供恒定電流的二極管，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響。CRD可以在小于1V到100V的寬電壓范圍內(nèi)保持電流恒定。CRD的原理圖符號(hào)如下圖2所示。

圖2.CRD示意圖。

雖然大多數(shù)IEPE傳感器可由2至4mA電流源供電，但在某些情況下需要高達(dá)20mA的電流。CRD的最大額定電流通常為4mA。對(duì)于較大的電流，要么并聯(lián)使用幾個(gè)CRD，要么使用大容量恒流電路。

請(qǐng)注意，不應(yīng)使用不具有限流功能的電源為IEPE傳感器供電，否則傳感器將立即損壞。

IEPE電源單元通常有一個(gè)電壓表，用于監(jiān)控傳感器偏置電壓并通知用戶系統(tǒng)狀態(tài)（短路、開路或正常運(yùn)行狀態(tài)）。請(qǐng)記住，對(duì)于IEPE傳感器，輸出信號(hào)和電源電壓均通過雙線連接傳輸。

如圖1所示，許多IEPE電源單元使用耦合電容器將信號(hào)與直流偏置電壓分離。還有一些功率單元使用直流耦合來避免降低系統(tǒng)的放電時(shí)間常數(shù)。

典型的IEPE傳感器系統(tǒng)

如圖3所示，為IEPE傳感器供電有兩種選擇。一些讀數(shù)儀器具有專門為IEPE傳感器設(shè)計(jì)的內(nèi)置恒流電源。如果讀出設(shè)備不包括IEPE電源，則應(yīng)使用單獨(dú)的電源單元，如圖所示。

圖3.為IEPE傳感器供電的選項(xiàng)。圖片由PCBPiezotronics提供

圖4顯示了一個(gè)支持IEPE傳感器的示例讀出設(shè)備。

圖4.IEPE傳感器的示例讀出設(shè)備和圖表。

圖4顯示了NI9234，它是一款四通道信號(hào)采集模塊，具有軟件可選的IEPE信號(hào)調(diào)理功能。如輸入電路圖所示，該器件具有2mA恒流電源和交流耦合選項(xiàng)。

典型的電荷輸出（非IEPE）系統(tǒng)

圖5顯示了基于電荷輸出傳感器的典型測(cè)量系統(tǒng)，即沒有集成前置放大器的壓電傳感器。

圖5.電荷輸出傳感器測(cè)量系統(tǒng)示例。

在這種情況下，需要一個(gè)外部電荷放大器將傳感器的電荷輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。此外，應(yīng)使用屏蔽良好的低噪聲同軸電纜將傳感器連接到電荷放大器。但是，可以在電荷放大器和讀出儀器之間使用標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜。

IEPE傳感器與電荷輸出傳感器

今天的大多數(shù)應(yīng)用程序都使用IEPE類型。然而，電荷輸出傳感器有其自身的優(yōu)勢(shì)。下面，我們將評(píng)估每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

傳感器工作溫度范圍

IEPE傳感器的內(nèi)置電子設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的工作溫度范圍設(shè)置了上限。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備，最高溫度通常約為125?C。使用特殊的電子元件可以將上限推到165?C左右。

另一方面，電荷輸出傳感器沒有內(nèi)部電子元件，其高溫極限由壓電材料的居里溫度設(shè)定。居里溫度指定材料失去其壓電特性的溫度。電荷輸出傳感器可以在高達(dá)700?C的溫度下工作。

此外，IEPE型加速度計(jì)在通用測(cè)試市場(chǎng)上很受歡迎，而電荷輸出壓電加速度計(jì)在涉及溫度高于約150?C的應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。

除了居里溫度限制之外，電荷輸出傳感器中使用的材料的絕緣電阻也會(huì)限制系統(tǒng)的最高工作溫度。在上一篇文章中，我們討論了傳感器絕緣電阻在高溫下會(huì)顯著降低。我們還解釋了一個(gè)小的絕緣電阻會(huì)導(dǎo)致電荷放大器的漂移。

除了漂移問題外，在將通用電荷放大器連接到絕緣電阻非常小的傳感器時(shí)，可能還會(huì)觀察到其他意外和未知的特性。圖6顯示了連接到低電阻傳感器的通用電荷放大器的頻率響應(yīng)。

圖6.帶有低電阻傳感器的電荷放大器的頻率響應(yīng)圖。在非常低的絕緣電阻值下，系統(tǒng)的幅度響應(yīng)在所需頻率范圍的低端表現(xiàn)出超過10dB的峰值。在高溫下工作時(shí)，我們需要選擇能夠處理極低絕緣電阻并保持平坦頻率響應(yīng)的電荷放大器。

電纜要求

電荷輸出傳感器需要經(jīng)過特殊處理的電纜，以最大限度地減少摩擦電噪聲。摩擦電噪聲是指兩種不同材料摩擦在一起產(chǎn)生的不需要的電荷。電纜的彎曲或振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致摩擦電噪聲。非IEPE傳感器的高阻抗輸出可能會(huì)被此類噪聲破壞，因此，電荷輸出傳感器和電荷放大器之間需要特殊的低噪聲電纜。這些電纜通常比標(biāo)準(zhǔn)電纜更昂貴，并且增加了非IEPE系統(tǒng)的成本。

此外，電荷輸出傳感器的高阻抗輸出限制了線路驅(qū)動(dòng)能力，將傳感器和電荷放大器之間的電纜長(zhǎng)度限制在約10米以下。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜可用于在相對(duì)較長(zhǎng)的距離上傳輸IEPE傳感器的低阻抗輸出，而不會(huì)顯著增加噪聲水平。

調(diào)整傳感器參數(shù)的靈活性

對(duì)于IEPE傳感器，傳感器參數(shù)，例如靈敏度和時(shí)間常數(shù)，在制造時(shí)是固定的。我們可以使用外部電路來放大或衰減傳感器輸出，但我們不能改變傳感器的靈敏度或時(shí)間常數(shù)。另一方面，電荷輸出傳感器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過外部電荷放大器處理，可以為我們?cè)谡{(diào)整系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)等參數(shù)時(shí)提供更大的靈活性。特殊類型的電荷放大器可以為我們提供非常長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，擴(kuò)展系統(tǒng)的低頻響應(yīng)。

附加的功能

IEPE傳感器可以使用相對(duì)具有成本效益的信號(hào)調(diào)節(jié)器進(jìn)行操作。一些讀數(shù)儀器具有內(nèi)置的IEPE電源單元，可以直接連接到IEPE傳感器。如果讀數(shù)儀沒有內(nèi)置電源單元，我們可以使用外部電源單元，如圖3所示。另一方面，對(duì)于電荷輸出傳感器，我們需要一個(gè)外部電荷放大器。盡管實(shí)驗(yàn)室型電荷放大器具有許多有用的功能，但它們比簡(jiǎn)單的IEPE功率單元要貴得多。

使用IEPE傳感器，高阻抗信號(hào)被放置在一個(gè)密封的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)內(nèi)。這使得IEPE傳感器對(duì)污垢和濕度等惡劣條件不那么敏感。