IEPE傳感器與電荷輸出傳感器

在本文中，我們將查看可用于向 IEPE 傳感器供電的典型電源裝置的圖表。我們還將了解 IEPE 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單元的基本圖。

圖 1. 帶有 IEPE 傳感器的電源單元的示例框圖。圖片由Dytran提供

首先，需要一個(gè)穩(wěn)壓良好的直流電源和一個(gè)電流調(diào)節(jié)電路來(lái)為傳感器供電。直流電源通常提供 18 至 30 V 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 是無(wú)論電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化如何都能提供恒定電流的二極管。CRD 可以在小于 1 V 至 100 V 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 4 mA 電流源供電，但在某些情況下需要高達(dá) 20 mA 的電流。CRD 的額定電流通常為 4 mA。對(duì)于較大電流，要么采用多個(gè)CRD并聯(lián)，要么采用大容量恒流電路代替。
請(qǐng)注意，不具備限流功能的電源不應(yīng)用于為 IEPE 傳感器供電，否則傳感器將立即被損壞。
IEPE 電源裝置通常有一個(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、開路或正常工作狀態(tài)）。請(qǐng)記住，對(duì)于 IEPE 傳感器，輸出信號(hào)和電源電壓均通過兩線連接傳輸。
如圖 1 所示，許多 IEPE 電源裝置使用耦合電容器將信號(hào)與直流偏置電壓分開。還有一些電源裝置采用直流耦合以避免降低系統(tǒng)的放電時(shí)間常數(shù)。
典型 IEPE 傳感器系統(tǒng)

如圖 3 所示，有兩種為 IEPE 傳感器供電的選項(xiàng)。一些讀出儀器具有專門為 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)的電源裝置，如圖所示。
為 IEPE 傳感器供電的選項(xiàng)。
圖 4 顯示了支持 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。圖片由NI提供

圖 4 顯示了NI 9234，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)節(jié)功能。如輸入電路圖所示，該器件具有 2 mA 恒流電源和交流耦合選項(xiàng)。
典型電荷輸出（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。
n 電荷輸出傳感器測(cè)量系統(tǒng)示例。

圖 5. 電荷輸出傳感器測(cè)量系統(tǒng)示例。圖片由PCB Piezotronics提供

在這種情況下，需要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。然而，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
當(dāng)今大多數(shù)應(yīng)用都使用 IEPE 類型；然而，電荷輸出傳感器有其自身的優(yōu)點(diǎn)。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)置電子器件對(duì)系統(tǒng)的工作溫度范圍設(shè)定了上限。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備，溫度通常約為 125°C。使用特殊的電子元件可以將上限提高到165℃左右。
另一方面，電荷輸出傳感器沒有內(nèi)部電子器件，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壓電特性的溫度。電荷輸出傳感器可在高達(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)中很受歡迎，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，電荷輸出傳感器中采用的材料的絕緣電阻也會(huì)限制系統(tǒng)的工作溫度。在之前的文章中，我們討論了傳感器絕緣電阻在高溫下會(huì)顯著降低。我們還解釋說，小的絕緣電阻可能會(huì)導(dǎo)致電荷放大器發(fā)生漂移。
將通用電荷放大器連接到絕緣電阻非常小的傳感器時(shí)，除了漂移問題之外，還可能會(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)。
具有低電阻傳感器的電荷放大器的頻率響應(yīng)圖。

圖 6.具有低電阻傳感器的電荷放大器的頻率響應(yīng)圖。圖片由Endevco提供

在絕緣電阻值非常低的情況下，系統(tǒng)的幅度響應(yīng)在所需頻率范圍的下端表現(xiàn)出超過 10 dB 的峰值。在高溫下工作時(shí)，我們需要選擇能夠處理非常低的絕緣電阻并保持平坦的頻率響應(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時(shí)產(chǎn)生的不需要的電荷。電纜的彎曲或振動(dòng)可能會(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具有有限的線路驅(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。
靈活調(diào)整傳感器參數(shù)
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(lái)放大或衰減傳感器的輸出，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)由外部電荷放大器處理，這可以為我們?cè)谡{(diào)整系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)等參數(shù)方面提供更大的靈活性。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)。