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點和局限性。
為 IEPE 傳感器供電 — 電流調節二極管
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，需要一個穩壓良好的直流電源和一個電流調節電路來為傳感器供電。直流電源通常提供 18 至 30 V 的電壓。如圖所示，可以通過電流調節二極管 (CRD)實現電流調節。CRD 是無論電壓波動和負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 的寬電壓范圍內保持電流恒定。CRD 的原理圖符號如下圖 2 所示。

圖 2.  CRD 示意圖。

雖然大多數 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 20 mA 的電流。CRD 的額定電流通常為 4 mA。對于較大電流，要么采用多個CRD并聯，要么采用大容量恒流電路代替。
請注意，不具備限流功能的電源不應用于為 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電壓表，用于監控傳感器偏置電壓并通知用戶系統狀態（短路、開路或正常工作狀態）。請記住，對于 IEPE 傳感器，輸出信號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的放電時間常數。
典型 IEPE 傳感器系統

如圖 3 所示，有兩種為 IEPE 傳感器供電的選項。一些讀出儀器具有專門為 IEPE 傳感器設計的內置恒流電源。如果讀出設備不包括 IEPE 電源，則應使用單獨的電源裝置，如圖所示。
為 IEPE 傳感器供電的選項。
圖 4 顯示了支持 IEPE 傳感器的示例讀出設備。

圖 4.  IEPE 傳感器的示例讀出設備和圖表。圖片由NI提供

圖 4 顯示了NI 9234，它是一款四通道信號采集模塊，具有軟件可選的 IEPE 信號調節功能。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。
典型電荷輸出（非 IEPE）系統
圖 5 顯示了基于電荷輸出傳感器的典型測量系統，即沒有集成前置放大器的壓電傳感器。
n 電荷輸出傳感器測量系統示例。

圖 5. 電荷輸出傳感器測量系統示例。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換為電壓信號。此外，應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準同軸電纜。
IEPE 傳感器與電荷輸出傳感器
當今大多數應用都使用 IEPE 類型；然而，電荷輸出傳感器有其自身的優點。下面，我們將評估每種方法的優缺點。
傳感器工作溫度范圍
IEPE 傳感器的內置電子器件對系統的工作溫度范圍設定了上限。對于標準電子設備，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部電子器件，其高溫極限由壓電材料的居里溫度設定。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 700°C 的溫度下工作。
此外，IEPE型加速度計在通用測試市場中很受歡迎，而電荷輸出壓電加速度計在涉及溫度高于約150°C的應用中占主導地位。
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限制系統的工作溫度。在之前的文章中，我們討論了傳感器絕緣電阻在高溫下會顯著降低。我們還解釋說，小的絕緣電阻可能會導致電荷放大器發生漂移。
將通用電荷放大器連接到絕緣電阻非常小的傳感器時，除了漂移問題之外，還可能會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。
具有低電阻傳感器的電荷放大器的頻率響應圖。

圖 6.具有低電阻傳感器的電荷放大器的頻率響應圖。圖片由Endevco提供

在絕緣電阻值非常低的情況下，系統的幅度響應在所需頻率范圍的下端表現出超過 10 dB 的峰值。在高溫下工作時，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的電荷放大器。
電纜要求
電荷輸出傳感器需要經過特殊處理的電纜，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產生的不需要的電荷。電纜的彎曲或振動可能會導致摩擦電噪聲。非 IEPE 傳感器的高阻抗輸出可能會被此類噪聲破壞，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。這些電纜通常比標準電纜更昂貴并且增加了非IEPE系統的成本。
此外，電荷輸出傳感器的高阻抗輸出具有有限的線路驅動能力，將傳感器和電荷放大器之間的電纜長度限制在約10米以下。另一方面，標準同軸電纜可用于在相對較長的距離上傳輸 IEPE 傳感器的低阻抗輸出，而不會顯著增加噪聲水平。
靈活調整傳感器參數
對于 IEPE 傳感器，傳感器參數（例如靈敏度和時間常數）在制造時是固定的。我們可以使用外部電路來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間常數。另一方面，電荷輸出傳感器產生的信號由外部電荷放大器處理，這可以為我們在調整系統時間常數等參數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的時間常數，擴展系統的低頻響應。