La charge et le PIC®Circuit intégré piézoélectrique

Il existe une large sélection d'accéléromètres à charge (PE) et piézoélectriques à circuit intégré (ICP®) pour une grande variété d'applications de mesure des chocs et des vibrations.Les critères de sélection devraient inclure les spécifications électriques et physiques de l'accéléromètre., les caractéristiques de performance et les considérations environnementales et opérationnelles.La comparaison des avantages et des limites des deux systèmes peut être utile pour choisir un accéléromètre et un système de mesure les plus adaptés à un laboratoire spécifique.Introduction Ce document examine les considérations de sélection des capteurs impliquant deux types généraux de capteurs piézoélectriques.Impédance élevée, type de sortie de charge (PE) et ICP® avec une sortie de faible impédance caractéristique.plusieurs facteurs jouent un rôle dans le choix d'un accéléromètre pour une application spécifiqueCes facteurs comprennent l'environnement, le fonctionnement, le nombre de canaux et la compatibilité du système.

Introduction au projet
Ce document examinera les considérations de sélection des capteurs impliquant deux types généraux de capteurs piézoélectriques.
En plus des caractéristiques électriques et physiques du capteur, plusieurs facteurs influent sur la qualité de l'émetteur.
Ces facteurs comprennent l'environnement, le fonctionnement, le nombre de canaux
et la compatibilité du système.

Accéléromètres de type piezoélectrique (PE)

Les accéléromètres de type PE génèrent une sortie de charge électrostatique à haute impédance en réponse à la contrainte mécanique appliquée à son élément de détection piézocéramique ou cristallin.En raison de sa sensibilité élevée à la chargeLe quartz, généralement reconnu comme le plus stable de tous les matériaux piézoélectriques, est un matériau très utilisé pour la fabrication d'accéléromètres.est également couramment utilisé dans les PCI à usage général.®Les systèmes de sortie de charge sont disponibles depuis environ 40 ans.Les accéléromètres PE fonctionnent à travers un câble à faible bruit dans un amplificateur de charge à haute impédance d'entrée, qui convertit le signal de charge en un signal de tension à basse impédance utilisable à des fins d'acquisition.et réglage gain/plageLes options peuvent inclure le filtrage, l'intégration pour la vitesse et/ou le déplacement, et le réglage de la constante de temps d'entrée, qui détermine la réponse à basse fréquence.Les amplificateurs de charge modernes sont conçus avec des circuits à faible bruit plus efficaces et peuvent incorporer des écrans LCD simplifiés et des commandes numériquesCertains modèles "dual mode" fonctionnent à la fois avec PE et ICP.®L'accéléromètre de PE est un accéléromètre de charge de laboratoire dont l'avantage principal est la flexibilité de réglage et de contrôle de la sortie de charge électrostatique.appareils de détection des déchets, généralement avec des caractéristiques fixes, ont été utilisés historiquement pour des applications aéroportées.Les accéléromètres PE peuvent également fonctionner à des températures plus élevées que les accéléromètres ICP® avec électronique intégréeLes principales limitations du système de charge PE sont la complexité du système, la difficulté de fonctionnement, le maintien de circuits à haute impédance dans des environnements polluants et défavorables, et l'augmentation du bruit lorsque le système est en panne.fonctionnant à travers de longs câbles d'entrée.Les circuits à haute impédance sont généralement plus sensibles aux interférences électriques.

Le système de détection de la pollution est un système de détection de la pollution par l'air.®) Accéléromètres

PIC®les accéléromètres incorporent un amplificateur de charge ou de tension microélectronique intégré,dont la fonction est de convertir une charge électrostatique à haute impédance de l'élément de détection PE en un signal de tension à faible impédanceDans les conceptions soudées hermétiques, tous les circuits à haute impédance sont scellés et électriquement blindés à l'intérieur de l'accéléromètre.®Les accéléromètres ont été fabriqués pour la première fois au milieu des années 1960.®Les accéléromètres fonctionnent à partir d'une source d'alimentation à courant constant à faible coût sur un circuit à deux fils, le signal/la puissance étant transporté par un fil et l'autre fil servant de mise à la terre.Le câble peut être coaxiale ordinaire ou fil de rubanLe câble à faible bruit n'est pas nécessaire.Le courant constant pour faire fonctionner l'accéléromètre provient d'une unité d'alimentation distincte ou peut être incorporé à l'intérieur d'un instrument de lecture tel qu'un analyseur FFT ou un collecteur de donnéesLes accéléromètres électroniques intégrés sont disponibles sous plusieurs noms de marque différents tels que ICP.®(PCB Piezotronics), isotron®(Endevco), Delta-Tron est une entreprise de transport de marchandises.®(B&K), et le Piezotron®Bien que l'électronique intégrée soit un " fil conducteur ", tous les accéléromètres électroniques intégrés ne sont pas nécessairement interchangeables ou " compatibles " les uns avec les autres.Certains contiennent des circuits MOSFETCertains utilisent des amplificateurs de charge hybrides, microélectroniques, d'autres des suiveurs de tension.Certains fonctionnent à partir de 0.5 mA pour une faible consommation d'énergie et autres fonctionnant jusqu'à 20 mA pour la conduiteIl est recommandé de vérifier les spécifications du capteur et de la puissance ICP® avant de supposer la compatibilité.Le principal avantage du fonctionnement à faible impédance est la capacité des accéléromètres ICP® à fonctionner en continu dans des environnements défavorablesLe coût par canal est moindre, puisque les câbles à faible bruit et les amplificateurs de charge ne sont pas nécessaires.La principale limitation concerne le fonctionnement à des températures élevéesLes accéléromètres ICP®, constitués d'éléments de détection au quartz et d'électronique spéciale, fonctionnent bien à température cryogénique.Le tableau 1 présente une liste exhaustive des avantages et des limites des accéléromètres PE et ICP®Cette liste a été révisée et les contributions fournies par des consultants externes ayant des années d'expérience dans la technologie des chocs et des vibrations.sous réserve d'intrants supplémentaires par rapport aux avantages et limites.

TABLEAU I CONSIDÉRATIONS Pour la sélection des accéléromètres PE et ICP®

Sensor de PE

Les avantages

-Flexibilité pour régler correctement les caractéristiques de sortie électrique des accéléromètres

- Une large plage dynamique

- Opération à température supérieure à 500 °F

-Interchangeabilité dans les systèmes de charge existants

-Réponse prolongée à basse fréquence

Les limites

-Requiert une formation et une expertise pour comprendre et utiliser des circuits à haute impédance

- Les effets capacitifs de l'accéléromètre et du câble augmentent le bruit et réduisent la résolution

- Les circuits à haute impédance doivent être tenus propres et secs (capteur, câble à faible bruit et amplificateur de charge).

- Requiert un câble à faible bruit pour minimiser le bruit triboélectrique

- Les systèmes à haute impédance sont plus sensibles aux interférences électriques et RF

- La taille et la sensibilité de l'accéléromètre PE sont directement liées - Une considération de sensibilité/taille/masse de charge

- Coût par canal plus élevé que le CIP®type (en raison du câble à faible bruit requis et de l'amplificateur de charge)

Chacune de ces considérations sera maintenant examinée plus en détail pour le PE et le PCI.®accéléromètres.

Avantages des accéléromètres PE

La flexibilité-Un amplificateur de charge de laboratoire "de type banc" a généralement des commandes pour régler et modifier le signal de sortie de l'accéléromètre PE.réglage du gain et de la gamme à pleine échelleL'amplificateur de charge peut également avoir la capacité de filtrer, d'intégrer et de régler la constante de temps de décharge, ce qui détermine la réponse à basse fréquence.Les amplificateurs de charge à double mode fournissent également un courant constant, ce qui permet le fonctionnement avec les deux PIC®, et détecteurs de sortie de charge PE.

Dimension dynamique-En règle générale, un accéléromètre PE de haute sensibilité peut fonctionner sur une large plage dynamique (> 100 dB) lorsqu'il est utilisé avec un amplificateur de charge de laboratoire,la sortie à pleine échelle peut être réglée pour n'importe quel niveau de g dans la plage maximale. La plage dynamique peut être définie comme la plage de fonctionnement de la résolution à la plage maximale que le capteur restera dans les spécifications.ni la plage dynamique ni la résolution ne sont spécifiées pour la plupart des accéléromètres PE à structure cristalline en céramiqueL'amplitude maximale est parfois déterminée par la non-linéarité maximale acceptable associée au fonctionnement à une portée plus élevée..La résolution est basée sur le bruit du système, qui est déterminé par le gain de l'amplificateur et la charge capacitive du câble d'entrée et de l'accéléromètre sur l'entrée de l'amplificateur de charge.

Opération à haute température-Comme l'accéléromètre PE ne contient pas d'électronique intégrée, la température de fonctionnement n'est limitée que par l'élément de détection et les matériaux utilisés dans la construction.Les accéléromètres PE fonctionnent généralement à 500 °FDes modèles spéciaux sont disponibles à > 1000 °F. Pour une meilleure précision, l'accéléromètre doit être calibré à température de fonctionnement.

Interchangeabilité Pratiquement tous les accéléromètres PE sont interchangeables dans un système de sortie de charge, à l'exception de certains modèles qui peuvent avoir une très faible résistance d'isolation à haute température.Des amplificateurs de charge spéciaux sont disponibles pour fonctionner avec des entrées à faible résistance.

Réponse prolongée à basse fréquence-Les capteurs de force au quartz sont couramment utilisés dans les applications de shakers contrôlés par la force.Les capteurs de force au quartz ont des constantes de temps de décharge de l'ordre de centaines, ou des milliers de secondes, conférant une excellente réponse à basse fréquence et une capacité d'étalonnage statique

Limites des accéléromètres PE

Une expertise-Une formation et une expertise sont nécessaires pour comprendre, utiliser et entretenir des systèmes de sortie de charge.effets de charge capacitive, le bruit du système, le réglage des commandes de l'amplificateur de charge et le maintien du système propre et exempt d'humidité sont nécessaires.qui simplifient la saisie de la sensibilité et de la plage de réglage.

Résolution-Bien que la résolution des accéléromètres PE puisse être considérée comme infinie, la résolution n'est généralement pas spécifiée sur une fiche de données, car elle est déterminée par le bruit du système.Jusqu'à ce que les valeurs de capacité du capteur et de la longueur du câble d'entrée soient déterminées et que le gain d'amplificateur soit réglé, la résolution n'est pas connue. Cela peut présenter des incertitudes pour les mesures à bas niveau impliquant de longs câbles. Bien que l'augmentation de la longueur du câble n'affecte pas la sensibilité,Il affecte le bruit et la résolution du système.L'absence de capacité à conduire de longs câbles est l'une des principales limites du système de sortie de charge de l'accéléromètre PE.minimiser ce problèmeLe bruit "triboélectrique" généré par le mouvement du câble d'entrée peut également dégrader la résolution.

Environnement de fonctionnement-Les accéléromètres PE à haute impédance et les amplificateurs de charge sont les mieux adaptés au fonctionnement dans des conditions de laboratoire propres.Tous les composants à haute impédance, y compris l'accéléromètre, le câble à faible bruit et l'amplificateur de charge doivent être tenus propres et secs.et la dérive de référence.

Cable et connecteurs-Les accéléromètres PE nécessitent l'utilisation d'un câble coaxial à haute résistance d'isolation et à faible bruit.Le câble à faible bruit a un lubrifiant graphite intégré dans la couche diélectrique pour minimiser le frottement et générer de l'électricité statique "triboélectrique"La charge électrostatique générée par le mouvement du câble est la même que la charge générée par l'élément piézo.Les connecteurs de câbles sont généralement des microdots®10-32 coaxial, le câble et le connecteur sont limités.

Taille contre sensibilité-La taille, la sensibilité et la réponse en fréquence des accéléromètres PE sont directement liées.et vice versaLorsque l'application d'une mesure nécessite un accéléromètre miniature pour des considérations de charge de faible masse,Il peut être nécessaire de faire des compromis pour choisir un accéléromètre plus grand et offrant une sensibilité suffisante..

Coût-Le coût de l'accéléromètre PE est essentiellement le même qu'un PCI équivalent®Cependant, comme l'accéléromètre PE nécessite l'utilisation de câbles à faible bruit et d'amplificateurs de charge, le coût par canal est plus élevé qu'un ICP.®Les câbles et les amplificateurs sont des facteurs de coûts majeurs dans les systèmes de mesure multicanal.

Avantages des accéléromètres ICP®

Opération simplifiéeLes systèmes d'accéléromètres ICP® offrent un fonctionnement simplifié qui nécessite moins d'expertise, de formation et d'attention de l'opérateur.signal de sortie à faible impédance qui n'est pratiquement pas affecté par le type de câble, la longueur et les conditions de fonctionnement environnementales.

Résolution- La résolution des accéléromètres ICP® n'est pratiquement pas affectée par le type ou la longueur du câble.perte de résolutionLes câbles d'entrée de plusieurs centaines de mètres de long peuvent agir comme un filtre LP sur les données ultra haute fréquence.Ceci concerne généralement uniquement les capteurs de pression ICP® utilisés pour les mesures de choc en microsecondes et de pression des ondes de choc..

Environnement de fonctionnement- Les accéléromètres ICP® hermétiquement scellés fonctionnent bien dans des environnements défavorables. Ils sont résistants à la contamination, car tous les circuits à haute impédance sont scellés en toute sécurité à l'intérieur de l'accéléromètre.Les motifs hermétiques soudés sont généralement plus résistants à la contamination que les motifs scellés à l'époxyLa compatibilité avec les environnements défavorables fait des accéléromètres ICP® le choix préféré pour la surveillance de l'état des machines industrielles, sous l'eau, à bord des navires, dans les véhicules et pour les essais sur le terrain.

Cable et connecteurs- La sortie à faible impédance des accéléromètres ICP® permet une flexibilité complète du type de câble et des connecteurs.Les considérations relatives aux câbles et aux connecteurs peuvent être importantes dans certaines applications impliquant des températures élevées ou bassesLes accéléromètres miniatures ICP® incorporent souvent des connexions de terminaux de soudure,permettant l'utilisation d'un câble souple léger afin de minimiser les effets de la contrainte et de la charge de masseLes accéléromètres industriels utilisent de grands connecteurs robustes et/ou des connexions vulcanisées pour obtenir une fiabilité dans des environnements défavorables.L'utilisation de câbles et de connecteurs standard dans les grands systèmes de canal-compte favorise une gestion efficace des câbles et est un facteur important de réduction des coûts.

Taille et sensibilité- En incorporant le gain dans des accéléromètres miniatures ICP®, il est possible de résoudre des applications nécessitant des accéléromètres à faible masse, à haute sensibilité et à haute fréquence.Le gain interne améliore également la résolution des accéléromètres ICP® structurés en céramique incorporant une charge hybrideDes amplificateurs.®Les accéléromètres intègrent des circuits de gain de tension et, bien que le niveau du signal soit augmenté pour l'enregistrement et/ou la conduite des câbles, le niveau sonore l'est également.

Dimension dynamique-PIC®Les accéléromètres ont une gamme dynamique très large.®La plupart des PCI®Certains modèles sismiques incorporant des circuits spéciaux à faible bruit ont une plage > 500 000 à 1.Tant la plage dynamique que la résolution d'un PCI®Il est important de noter que les caractéristiques des capteurs sont connues dans les fiches de données.®le système ne perd pas de portée dynamique, en raison de la longueur de câble et de la configuration du système ajoutés.

Alimentation du PIC®Accéléromètres-En fonction du modèle spécifique, le PCI®Les accéléromètres peuvent fonctionner de 0,5 mA à 20 mA de courant constant à 3 à 30 VDC. Pour une plage dynamique étendue, certains modèles spéciaux ont été fournis pour fonctionner à 35 VDC.Comme prévenu précédemment, tous les PIC®Les accéléromètres ne contiennent pas le même circuit électrique interne et, par conséquent, ils ne sont pas nécessairement compatibles avec toutes les sources d'alimentation à courant constant.Le biais du capteur et la tension d'alimentation affectent tous deux la plage dynamiqueLe courant d'alimentation affecte la capacité de conduite du câble, en particulier lors de la conduite de signaux haute tension à haute fréquence.avec ou sans gain, et à commande manuelle ou par ordinateur.®Les unités d'alimentation des lignes de capteurs fournissent généralement un courant de 2 à 4 mA. Cependant, elles sont généralement réglables à 20 mA, ce qui peut être nécessaire lors de la conduite de longs câbles à haute fréquence.Beaucoup d'instruments de lecture commerciaux, tels que les analyseurs FFT et les collecteurs de données de vibration, intègrent une alimentation en courant constant pour une connexion directe au PCI®Les amplificateurs de charge à double mode intègrent une alimentation en courant constant pour assurer le fonctionnement à la fois avec PE et ICP®accéléromètres.

Moniteur de panne du câble. Dans le PIC®les circuits de détection à deux fils, le signal/puissance est transporté sur un fil et le signal retour (terre) sur l'autre. En surveillant la tension caractéristique de "bias" en courant continu qui existe sur le fil de signal/puissance,il est possible de détecter des câbles ouverts ou à court-circuit. CPI®Les capteurs d'alimentation intègrent généralement des compteurs de couleur rouge, vert ou jaune, ou LED, pour indiquer un fonctionnement normal ou des pannes de câble.

Opération à travers les anneaux de glissement-Certaines applications de mesure des vibrations sur des machines rotatives nécessitent un fonctionnement par des anneaux coulissants.®les accéléromètres sont compatibles avec le fonctionnement à travers des anneaux de glissement.

"TEDS" Transducteur Fiche électronique de données Incorporation d'un circuit de mémoire "TEDS" dans le PCI®les accéléromètres permettent de stocker des informations d'auto-identification telles que le nom du fabricant, le type de capteur, le modèle, le numéro de série, la sensibilité, la date d'étalonnage, l'identifiant du canal, l'emplacement du capteur,et autres informationsAccéléromètres TEDSUn conditionneur de signal TEDS est utilisé pour accéder à la mémoire numérique sur les mêmes fils normalement utilisés pour les mesures analogiques.Une fois que les données de mémoire ont été consultées, le circuit de mémoire numérique peut être désactivé et l'accéléromètre peut être utilisé pour un fonctionnement analogique normal.le coût par canal du système ICP® est nettement inférieur puisqu'il n'est pas nécessaire de disposer de câbles spéciaux à faible bruit ni d'amplificateurs de charge. Les économies peuvent être considérables en comparant les coûts des systèmes multicanaux. D'un point de vue opérationnel, moins de soin, d'attention et d'effort sont nécessaires pour faire fonctionner et maintenir des systèmes à faible impédance.

Limites des accéléromètres ICP®
Sortie fixeLes caractéristiques électriques telles que la sensibilité, la portée, la résolution et la constante de temps de décharge sont fixées dans l'accéléromètre ICP®.La constante de temps de décharge fixe est moins limitante avec les accéléromètres que avec les capteurs de pression et de force au quartz, qui peut être actionné en mode constante de temps long à des fins d'étalonnage quasi-statistique.Plage de température - La plupart des accéléromètres ICP® à usage général ont une plage de température limitée d'environ -65 °F à +250 °FDes modèles cryogéniques spéciaux fonctionnent jusqu'à -320 °F et des modèles à haute température jusqu'à +325 °F.

RésuméLes systèmes d'amplificateurs de charge bénéficient de la très large plage dynamique des accéléromètres PE en offrant une flexibilité dans le réglage des caractéristiques de sortie électrique telles que la sensibilité et la portée.Ils sont bien adaptés au fonctionnement à haute température.Les systèmes de charge modernes offrent un fonctionnement à faible bruit amélioré, des commandes numériques simplifiées et une double sortie pour fonctionner avec charge ou ICP.®Les circuits à haute impédance ne sont pas bien adaptés au fonctionnement dans des environnements de champ ou d'usine défavorables.La résolution de l'accéléromètre PE peut ne pas être spécifiée ou connue, car le bruit est une considération du système déterminée par la longueur du câble et le gain de l'amplificateur.. CPI®Les accéléromètres fonctionnent à partir d'une source d'alimentation à courant constant, fournissent une sortie fixe en mV/g à haute tension et à faible impédance.câble coaxial dans un environnement défavorable sans dégradation de la qualité du signalIls ont une plage de température élevée limitée.®les capteurs sont simples à utiliser. La résolution et la portée de fonctionnement sont des spécifications définies. Le coût par canal est inférieur à celui des systèmes PE,puisque les câbles à faible bruit et les amplificateurs de charge ne sont pas nécessaires.