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一文详解IEPE传感器

在本文中,我们将查看可用于为IEPE传感器供电的典型电源单元图。我们还将了解IEPE类型和电荷输出传感器的优点和局限性。

为IEPE传感器供电—电流调节二极管

图1显示了可与IEPE传感器一起使用的电源装置的基本示意图。

一文详解IEPE传感器

图1.带有IEPE传感器的电源单元的示例框图。

首先,需要一个经过良好调节的直流电源以及一个电流调节电路来为传感器供电。直流电源通常提供18至30V之间的电压。如图所示,可以通过电流调节二极管(CRD)实现电流调节。CRD是提供恒定电流的二极管,不受电压波动和负载电阻变化的影响。CRD可以在小于1V到100V的宽电压范围内保持电流恒定。CRD的原理图符号如下图2所示。

一文详解IEPE传感器

图2.CRD示意图。

虽然大多数IEPE传感器可由2至4mA电流源供电,但在某些情况下需要高达20mA的电流。CRD的最大额定电流通常为4mA。对于较大的电流,要么并联使用几个CRD,要么使用大容量恒流电路。

请注意,不应使用不具有限流功能的电源为IEPE传感器供电,否则传感器将立即损坏。

IEPE电源单元通常有一个电压表,用于监控传感器偏置电压并通知用户系统状态(短路开路或正常运行状态)。请记住,对于IEPE传感器,输出信号和电源电压均通过双线连接传输。

如图1所示,许多IEPE电源单元使用耦合电容器将信号与直流偏置电压分离。还有一些功率单元使用直流耦合来避免降低系统的放电时间常数。

典型的IEPE传感器系统

如图3所示,为IEPE传感器供电有两种选择。一些读数仪器具有专门为IEPE传感器设计的内置恒流电源。如果读出设备不包括IEPE电源,则应使用单独的电源单元,如图所示。

一文详解IEPE传感器

图3.为IEPE传感器供电的选项。图片由PCBPiezotronics提供

图4显示了一个支持IEPE传感器的示例读出设备。

一文详解IEPE传感器

图4.IEPE传感器的示例读出设备和图表。

图4显示了NI9234,它是一款四通道信号采集模块,具有软件可选的IEPE信号调理功能。如输入电路图所示,该器件具有2mA恒流电源和交流耦合选项。

典型的电荷输出(非IEPE)系统

图5显示了基于电荷输出传感器的典型测量系统,即没有集成前置放大器的压电传感器。

一文详解IEPE传感器

图5.电荷输出传感器测量系统示例。

在这种情况下,需要一个外部电荷放大器将传感器的电荷输出转换为电压信号。此外,应使用屏蔽良好的低噪声同轴电缆将传感器连接到电荷放大器。但是,可以在电荷放大器和读出仪器之间使用标准同轴电缆。

IEPE传感器与电荷输出传感器

今天的大多数应用程序都使用IEPE类型。然而,电荷输出传感器有其自身的优势。下面,我们将评估每种方法的优缺点。

传感器工作温度范围

IEPE传感器的内置电子设备对系统的工作温度范围设置了上限。对于标准电子设备,最高温度通常约为125˚C。使用特殊的电子元件可以将上限推到165˚C左右。

另一方面,电荷输出传感器没有内部电子元件,其高温极限由压电材料的居里温度设定。居里温度指定材料失去其压电特性的温度。电荷输出传感器可以在高达700˚C的温度下工作。

此外,IEPE型加速度计在通用测试市场上很受欢迎,而电荷输出压电加速度计在涉及温度高于约150˚C的应用中占主导地位。

除了居里温度限制之外,电荷输出传感器中使用的材料的绝缘电阻也会限制系统的最高工作温度。在上一篇文章中,我们讨论了传感器绝缘电阻在高温下会显着降低。我们还解释了一个小的绝缘电阻会导致电荷放大器的漂移。

除了漂移问题外,在将通用电荷放大器连接到绝缘电阻非常小的传感器时,可能还会观察到其他意外和未知的特性。图6显示了连接到低电阻传感器的通用电荷放大器的频率响应。

一文详解IEPE传感器

图6.带有低电阻传感器的电荷放大器的频率响应图。在非常低的绝缘电阻值下,系统的幅度响应在所需频率范围的低端表现出超过10dB的峰值。在高温下工作时,我们需要选择能够处理极低绝缘电阻并保持平坦频率响应的电荷放大器。

电缆要求

电荷输出传感器需要经过特殊处理的电缆,以最大限度地减少摩擦电噪声。摩擦电噪声是指两种不同材料摩擦在一起产生的不需要的电荷。电缆的弯曲振动会导致摩擦电噪声。非IEPE传感器的高阻抗输出可能会被此类噪声破坏,因此,电荷输出传感器和电荷放大器之间需要特殊的低噪声电缆。这些电缆通常比标准电缆更昂贵,并且增加了非IEPE系统的成本。

此外,电荷输出传感器的高阻抗输出限制了线路驱动能力,将传感器和电荷放大器之间的电缆长度限制在约10米以下。另一方面,标准同轴电缆可用于在相对较长的距离上传输IEPE传感器的低阻抗输出,而不会显着增加噪声水平。

调整传感器参数的灵活性

对于IEPE传感器,传感器参数,例如灵敏度和时间常数,在制造时是固定的。我们可以使用外部电路来放大或衰减传感器输出,但我们不能改变传感器的灵敏度或时间常数。另一方面,电荷输出传感器产生的信号经过外部电荷放大器处理,可以为我们在调整系统时间常数等参数时提供更大的灵活性。特殊类型的电荷放大器可以为我们提供非常长的时间常数,扩展系统的低频响应。

附加的功能

IEPE传感器可以使用相对具有成本效益的信号调节器进行操作。一些读数仪器具有内置的IEPE电源单元,可以直接连接到IEPE传感器。如果读数仪没有内置电源单元,我们可以使用外部电源单元,如图3所示。另一方面,对于电荷输出传感器,我们需要一个外部电荷放大器。尽管实验室型电荷放大器具有许多有用的功能,但它们比简单的IEPE功率单元要贵得多。

使用IEPE传感器,高阻抗信号被放置在一个密封的坚固结构内。这使得IEPE传感器对污垢和湿度等恶劣条件不那么敏感。

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