數(shù)據(jù)采集卡和IEPE

一、IEPE的由來

IEPE是壓電集成電路，Integrated Electronics Piezo-Electric的縮寫。

IEPE

它指的是一種自帶電量放大器或電壓放大器的加速度傳感器，也有人將它叫做ICP。這種稱呼產(chǎn)生于上世紀(jì)六七十年代，當(dāng)時有很多廠家生產(chǎn)這種帶內(nèi)置電路的壓電傳感器，其中PCB公司將自己生產(chǎn)的傳感器命名為ICP，其他公司也就開始使用這一稱謂。

隨著市場的擴(kuò)大，PCB公司就將ICP注冊為商品名，導(dǎo)致其他公司無法使用，所以業(yè)內(nèi)提出以IEPE來命名這種傳感器，并逐漸受到了行業(yè)內(nèi)眾多公司的認(rèn)同，其中包括PCB公司。因為國內(nèi)的PCB的產(chǎn)品較多，所以ICP的叫法也就沿用下來。

回歸正題，IEPE既然是一種壓電式傳感器，那么它利用的原理自然是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)又分為正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：某些電介質(zhì)在一定方向上受到外力作用產(chǎn)生形變時，介質(zhì)內(nèi)部會發(fā)生極化現(xiàn)象，在它的兩個相對表面上，會產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷。

正壓電效應(yīng)

當(dāng)外力消失時，電荷就會消失，當(dāng)外力的方向發(fā)生變化，電荷的極性也會隨之改變。

正壓電效應(yīng)

逆壓電效應(yīng)是指：向電介質(zhì)的極化方向上施加一個電場，介質(zhì)會隨之發(fā)生形變，當(dāng)電場消失，介質(zhì)的形變也會消失。由此可見壓電效應(yīng)是一種瞬時的變化，所以壓電傳感器可以測量動態(tài)量。

逆壓電效應(yīng)

二、IEPE的檢測原理

IEPE也是一種加速度傳感器，它是怎樣將加速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪兀?/p>

首先我們要明白加速度是什么。加速度是由牛頓第二定律定義的，常見表述是：物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比。加速度的方向，與作用力的方向保持一致。公式表示為：a=F/m，其中F為物體受到的合力，m為物體的質(zhì)量，a為物體的加速度，單位是m/s^2。質(zhì)量m一般不會變化，可以提前測得。而力F的大小，則可以利用壓電效應(yīng)測量，這樣就可以求物體加速度的大小。

還有一個問題，因為力與加速度都是矢量，即它們都是有方向的。在實際應(yīng)用中，我們也需要知道物體的加速方向，以判斷物體所處的狀態(tài)，如：傾斜角度有多大、是否發(fā)生反轉(zhuǎn)，是否在晃動等等情況。為解決這樣的問題，可以將傳感器分為三部分，即X軸、Y軸和Z軸。

三軸傳感器

用X、Y表示在平面中的運(yùn)動方向，Z軸表示在空間中的上升和下降，這樣就可以判斷物體的運(yùn)動了。三軸加速度傳感器雖然精確，但是使用成本較高，所以根據(jù)實際使用情況的不同，還有單軸，雙軸等類型的傳感器。

三、IEPE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

說了這么多IEPE到底是如何工作的呢？

首先IEPE整體組裝在一個金屬殼內(nèi)，下面連接一個剛度較大的基座，在殼體內(nèi)部，兩片壓電片組成壓電元件并且表面鍍銀。壓電片之間是金屬片，它可以將壓電元件產(chǎn)生的電荷，通過引線輸入到集成電路中，壓電片上方連接著一個質(zhì)量較小的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由剛度較大的彈簧或是螺栓，對其施加預(yù)載荷。

IEPE結(jié)構(gòu)

在使用IEPE測量振動時，應(yīng)將傳感器與被測物固定在一起，由于彈簧的剛性大而質(zhì)量塊的質(zhì)量小，所以質(zhì)量塊受到的振動與基座的振動是相同的。因為質(zhì)量塊不斷變化的慣性力的作用，使得壓電片受到的壓力不斷變化，從而產(chǎn)生高阻抗的電荷信號，這些電荷信號通過與金屬片相連的引線，輸入到內(nèi)置的集成電路中。集成電路又將輸入的電荷信號轉(zhuǎn)化成低阻抗的電壓信號輸出。

信號輸出

IEPE還需要使用一個恒流源供電，電流一般在2mA~20mA之間。在大多數(shù)情況下，4mA的恒定電流值是一個很好的折衷方案，供電電壓在18V～30V之間。

IEPE傳感器的內(nèi)部集成電路中一個很重要的器件就是電荷放大器，它可以將電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。其原理圖如下：

電荷放大器

如何計算Uo與Q的關(guān)系呢？由電路圖可知：

計算公式

Uo便是IEPE輸出的電壓信號。但這個信號是交流信號疊加在直流電源上的電壓信號，所以我們還要通過交流耦合，將信號中的直流成分去掉。使其變?yōu)橐?V為基準(zhǔn)的波形。

四、IEPE的參數(shù)

最后我們介紹一下IEPE的參數(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，IEPE的靈敏度單位是mV/g，其中g(shù)是重力加速度。靈敏度越高測量范圍越小，靈敏度越低測量范圍越大。傳感器的最大量程是由最大輸出電壓與靈敏度的比值決定的。在選擇傳感器時，要特別注意這兩個參數(shù)。

IEPE的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部帶有集成電路，導(dǎo)致它的抗干擾能力很好，可以用長軸電纜輸出，而且方便安裝，使用簡單。缺點(diǎn)也因為內(nèi)部的集成電路使的它的溫度范圍變窄，一般小于125℃，而且內(nèi)部的集成電路與傳感器承受同樣的測試條件，很容易出現(xiàn)故障，對環(huán)境的要求也更高。

以上就是我們對IEPE相關(guān)內(nèi)容的介紹，下面我們將通過實驗，使用數(shù)據(jù)采集卡采集IEPE的加速度信息。

五、利用IEPE采集風(fēng)扇的振動信息

本次實驗，我們通過風(fēng)扇模擬物體發(fā)生損壞時震動信息的變化情況。用到的實驗器材有：USB-3213數(shù)據(jù)采集卡、SRD-1104-IEPE信號調(diào)理器、IEPE傳感器和風(fēng)扇。

實驗設(shè)備

SRD-1104-IEPE信號調(diào)理器，可以將IEPE的極性信號調(diào)整為雙極性信號，而且能夠為傳感器提供4mA的恒流電源，同時調(diào)理器使用USB供電或者外接２４V電源。IEPE的有關(guān)參數(shù)是：量程10ｇ、激勵電流2mA～20mA、靈敏度：501.5ｍV/g。各設(shè)備間的連接方式是：首先將IEPE傳感器與信號調(diào)理器的IEPE 0接口相連；將IEPE信號調(diào)理器的IEPE OUT 0接口與采集卡的AI 0連接；將GND與采集卡的AI Sense連接；將采集卡上的AGND與Ai Sense短接。

設(shè)備連接

然后將采集卡和信號調(diào)理器通過USB線纜連接到電腦上；最后將IEPE傳感器固定在風(fēng)扇邊框上。

接線完成

在采集實驗數(shù)據(jù)前，我們還需要調(diào)整采集卡軟件的有關(guān)設(shè)置：將縱坐標(biāo)設(shè)置為-10～10，并且取消勾選自動調(diào)整坐標(biāo)。（Ps：采集軟件是采集卡自帶的）

調(diào)整縱坐標(biāo)

在軟件設(shè)置中，勾選單端模式。

選擇模式

勾選AI 0通道。

選擇采集通道

采樣率設(shè)置為10k。

設(shè)置采樣率

勾選單位變化，使傳感器輸出電壓為10～-10，傳感器單位為“g”，傳感器量程設(shè)置成10～-10。

設(shè)置單位變換

選擇數(shù)據(jù)存儲路徑。

保存數(shù)據(jù)

其他內(nèi)容不變，將橫縱表設(shè)置為0～100。

調(diào)整橫坐標(biāo)

點(diǎn)擊啟動，可以看到當(dāng)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動時振動基本不發(fā)生，數(shù)據(jù)穩(wěn)定在0坐標(biāo)上。

風(fēng)扇未轉(zhuǎn)動時

當(dāng)風(fēng)扇正常轉(zhuǎn)動時，數(shù)據(jù)在0.2～－0.2之間波動。

風(fēng)扇正常轉(zhuǎn)動時

為了模擬風(fēng)扇損壞的情況，我們在扇葉上粘貼一個紙團(tuán)，破壞它的結(jié)構(gòu)，當(dāng)開啟風(fēng)扇時，可以看到它的震動信息有了明顯的變化。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)動異常時

觀察風(fēng)扇前后的震動數(shù)據(jù)，可以很容易地判斷出風(fēng)扇是否發(fā)生了損壞，放大橫坐標(biāo)后可以清楚的觀察到震動的波動情況。

數(shù)據(jù)對比

打開數(shù)據(jù)存儲路徑，我們可以通過軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CSV格式。

數(shù)據(jù)存儲并轉(zhuǎn)換

以上就是使用數(shù)據(jù)采集卡采集IEPE傳感器信號的全部內(nèi)容。希望大家點(diǎn)贊、收藏、關(guān)注，謝謝大家。

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審核編輯 黃宇