Pertimbangan SELEKSI ACCELEROMETER Biaya dan ICP®Sirkuit terintegrasi Piezoelektrik

Ada berbagai macam akselerometer muatan (PE) dan sirkuit terintegrasi piezoelektrik (ICP®) yang tersedia untuk berbagai aplikasi pengukuran kejut dan getaran.Kriteria seleksi harus mencakup spesifikasi listrik dan fisik akselerometer, karakteristik kinerja, dan pertimbangan lingkungan dan operasional.Membandingkan keuntungan dan keterbatasan kedua sistem dapat membantu dalam memilih akselerometer dan sistem pengukuran yang paling cocok untuk laboratorium tertentu, lapangan, pabrik, di bawah air, kapal atau aplikasi di udara Pambuka Makalah ini akan meninjau pertimbangan pemilihan sensor yang melibatkan dua jenis umum sensor piezoelektrik.Impedansi tinggi, tipe charge output (PE) dan ICP® dengan output impedansi rendah karakteristik.beberapa faktor berperan dalam pemilihan akselerometer untuk aplikasi tertentuFaktor-faktor ini termasuk lingkungan, operasional, jumlah saluran dan kompatibilitas sistem

Pengantar
Artikel ini akan meninjau pertimbangan pemilihan sensor yang melibatkan dua jenis umum sensor piezoelektrik.
(PE) dan ICP® dengan output impedansi rendah yang khas.
Faktor-faktor ini termasuk lingkungan, operasional, jumlah saluran
dan kompatibilitas sistem.

PIEZO ELECTRIC (PE) TYPE akselerometer

Akselerometer tipe PE menghasilkan output muatan elektrostatik impedansi tinggi sebagai tanggapan terhadap tegangan mekanik yang diterapkan pada piezo keramik, atau kristal, elemen sensor.Karena sensitivitas muatan yang tinggi, keramik piezo telah menemukan penggunaan yang luas baik dalam muatan dan tegangan mode akselerometer.juga sering digunakan dalam ICP tujuan umum®Sistem output muatan telah tersedia selama sekitar 40 tahun.Akselerometer PE beroperasi melalui kabel low-noise ke amplifier muatan impedansi input tinggi, yang mengubah sinyal muatan menjadi sinyal tegangan impedansi rendah yang dapat digunakan untuk tujuan akuisisi.dan gain/range adjustOpsi dapat mencakup penyaringan, integrasi untuk kecepatan dan / atau perpindahan, dan penyesuaian konstanta waktu input, yang menentukan respons frekuensi rendah.Penguat muatan modern dirancang dengan sirkuit kebisingan rendah yang lebih efektif dan dapat menggabungkan layar LCD yang disederhanakan dan kontrol digitalBeberapa model "dual-mode" beroperasi dengan PE dan ICP®Keuntungan utama dari sistem muatan laboratorium adalah fleksibilitas penyesuaian dan kontrol output muatan elektrostatik dari accelerometer PE.Penguat muatan solid state, umumnya dengan karakteristik tetap, telah digunakan secara historis untuk aplikasi di udara.Akselerometer PE juga dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada akselerometer ICP® dengan elektronik bawaanKeterbatasan utama dari sistem pengisian PE melibatkan kompleksitas sistem, kesulitan operasi, mempertahankan sirkuit impedansi tinggi di lingkungan yang kotor dan meningkatnya kebisingan ketikaberoperasi melalui kabel input panjang.Sirkuit impedansi tinggi umumnya lebih rentan terhadap gangguan listrik.

PIEZOELECTRIC INTEGRATED CIRCUTE (ICP)®) ACCELEROMETER

ICP®akselerometer dilengkapi dengan muatan mikroelektronik terintegrasi atau penguat tegangan,yang berfungsi untuk mengubah muatan elektrostatik impedansi tinggi dari elemen sensor PE menjadi sinyal tegangan impedansi rendahDalam desain las hermetik, semua sirkuit impedansi tinggi disegel dan dilindungi secara listrik di dalam akselerometer.®accelerometer pertama kali diproduksi pada pertengahan tahun 1960-an.®akselerometer beroperasi dari sumber daya arus konstan dengan biaya rendah melalui sirkuit dua kabel dengan sinyal/kekuatan yang ditransfer melalui satu kabel dan kabel lainnya berfungsi sebagai tanah.Kabel bisa biasa koaksial atau pita kawatKabel low-noise tidak diperlukan.Arus konstan untuk mengoperasikan akselerometer berasal dari unit daya yang terpisah atau dapat dimasukkan ke dalam instrumen pembacaan seperti FFT analyzer atau Data Collector. Akselerometer elektronik terintegrasi tersedia di bawah beberapa nama merek dagang yang berbeda seperti ICP®(PCB Piezotronics), Isotron®(Endevco), Delta-Tron®(B&K), dan Piezotron®(Kistler) untuk menyebutkan beberapa hal. Meskipun elektronik bawaan adalah "hal yang umum", semua akselerometer elektronik terintegrasi tidak selalu dapat ditukar atau "kompatibel" satu sama lain.Beberapa mengandung sirkuit MOSFET, yang lain JFETS. Beberapa menggunakan hibrida, mikroelektronik, amplifier muatan, yang lain pengendali tegangan. Meskipun sebagian besar akselerometer elektronik terintegrasi beroperasi dari 2 sampai 4 mA arus konstan,beberapa beroperasi dari hanya 0.5 mA untuk konsumsi daya rendah dan lainnya beroperasi hingga 20 mA untuk mengemudiKabel panjang pada frekuensi tinggi. Disarankan bahwa sensor ICP® dan spesifikasi daya diperiksa sebelum mengasumsikan kompatibilitas.Keuntungan utama dari operasi impedansi rendah adalah kemampuan ICP® akselerometer untuk beroperasi terus menerus dalam lingkungan yang tidak menguntungkan, melalui kabel koaksial panjang, biasa, tanpa peningkatan kebisingan atau hilangnya resolusi.Keterbatasan utama adalah operasi pada suhu tinggi, di atas 325 ° F. Akselerometer ICP®, terstruktur dengan elemen sensor kuarsa dan elektronik khusus, bekerja dengan baik pada suhu kriogenik.Tabel 1 adalah daftar lengkap keuntungan dan keterbatasan accelerometer PE dan ICP®Daftar ini telah ditinjau dan input yang diberikan oleh konsultan luar dengan pengalaman bertahun-tahun dalam teknologi kejut dan getaran.tunduk pada input tambahan relatif keuntungan dan keterbatasan.

Tabel I Pertimbangan Untuk Memilih PE & ICP® Accelerometers

SENSOR PE

Keuntungan

-Fleksibilitas dalam menyesuaikan akselerometer karakteristik keluaran listrik dengan benar

-Rentang dinamis yang luas

- Operasi suhu lebih tinggi > 500 °F

-Interchangeability dalam sistem pengisian yang ada

-Tanggapan frekuensi rendah yang diperpanjang

Pembatasan

-Membutuhkan pelatihan dan keahlian untuk memahami dan mengoperasikan sirkuit impedansi tinggi

Efek kapasitif dari akselerometer dan kabel meningkatkan kebisingan dan mengurangi resolusi

-Sirkuit impedansi tinggi harus tetap bersih dan kering (sensor, kabel berisik dan amplifier muatan)

-Membutuhkan tujuan khusus kabel low-noise untuk meminimalkan kebisingan triboelectric

- Sistem impedansi tinggi lebih rentan terhadap gangguan listrik dan RF

- Ukuran akselerometer PE dan sensitivitas terkait langsung - Pertimbangan sensitivitas/ukuran/massa beban

- Biaya per saluran lebih tinggi dari ICP®jenis (karena kabel berisik rendah dan amplifier muatan yang diperlukan)

Masing-masing pertimbangan ini sekarang akan ditinjau lebih rinci untuk PE dan ICP®akselerometer.

Keuntungan dari PE Accelerometers

Fleksibilitas-Sebuah laboratorium "bench type" charge amplifier biasanya memiliki kontrol untuk menyesuaikan dan memodifikasi sinyal output dari PE accelerometer.pengaturan gain dan full-scale rangePenguat muatan juga dapat memiliki kemampuan untuk menyaring, mengintegrasikan, dan menyesuaikan konstanta waktu pelepasan, yang menentukan respons frekuensi rendah.Penguat muatan dual-mode juga menyediakan arus konstan, yang memungkinkan operasi dengan kedua ICP®, dan sensor daya keluar PE.

Jangkauan Dinamis-Biasanya, akselerometer PE sensitivitas tinggi dapat beroperasi pada rentang dinamis yang luas (> 100 dB).output skala penuh dapat diatur untuk setiap tingkat g dalam kisaran maksimum. rentang dinamis dapat didefinisikan sebagai rentang operasi dari resolusi untuk rentang maksimum yang sensor akan tetap dalam spesifikasi.tidak ada kisaran dinamis atau resolusi yang ditentukan untuk sebagian besar akselerometer PE berstruktur kristal keramikJarak maksimum kadang-kadang ditentukan oleh non-linearitas maksimum yang dapat diterima yang terkait dengan operasi pada rentang yang lebih tinggi..Resolusi didasarkan pada kebisingan sistem, yang ditentukan oleh gain amplifier dan beban kapasitif dari kabel input dan akselerometer pada input amplifier muatan.

Operasi suhu tinggi-Karena akselerometer PE tidak mengandung elektronik bawaan, suhu operasi hanya dibatasi oleh elemen sensor dan bahan yang digunakan dalam konstruksi.Akselerometer PE biasanya beroperasi pada suhu 500 °FModel khusus tersedia untuk > 1000 ° F. Untuk akurasi terbaik, akselerometer harus dikalibrasi pada suhu operasi.

Pergantian- Hampir semua akselerometer PE dapat dipertukarkan dalam sistem output muatan, kecuali beberapa model yang mungkin memiliki ketahanan isolasi yang sangat rendah pada suhu tinggi.Penguat muatan khusus tersedia untuk operasi dengan input resistansi rendah.

Tanggapan Frekuensi Rendah yang diperpanjang-Quartz force sensors umumnya digunakan dalam aplikasi shaker yang dikendalikan gaya.sensor kekuatan kuarsa memiliki konstanta waktu pelepasan dalam urutan ratusan, atau ribuan detik, memberikan respon frekuensi rendah yang sangat baik dan kemampuan untuk kalibrasi statis

Keterbatasan PE Accelerometers

Keahlian-Pelatihan dan keahlian diperlukan untuk memahami, mengoperasikan dan memelihara sistem output muatan.efek beban kapasitif, sistem kebisingan, pengaturan kontrol amplifier muatan, dan menjaga sistem bersih dan bebas kelembaban diperlukan.yang menyederhanakan masuk sensitivitas dan pengaturan rentang.

Resolusi-Meskipun resolusi untuk akselerometer PE dapat dianggap tak terbatas, resolusi umumnya tidak ditentukan pada lembar data, karena ditentukan oleh kebisingan sistem.Sampai nilai kapasitansi untuk sensor dan panjang kabel input ditentukan dan amplifier gain diatur, resolusi tidak diketahui. Hal ini dapat menimbulkan ketidakpastian untuk pengukuran tingkat rendah yang melibatkan kabel panjang.Hal ini mempengaruhi sistem kebisingan dan resolusi. Kurangnya kemampuan untuk mengemudi kabel panjang adalah salah satu keterbatasan utama dari sistem output muatan akselerometer PE.mengurangi masalah iniKebisingan "triboelektrik" yang dihasilkan sebagai akibat dari gerakan kabel input, juga dapat menurunkan resolusi.

Lingkungan Operasi-Akselerometer PE impedansi tinggi dan penguat muatan paling cocok untuk operasi dalam kondisi laboratorium yang bersih.Semua komponen impedansi tinggi, termasuk akselerometer, kabel low-noise dan amplifier muatan harus tetap bersih dan kering.dan pergeseran garis dasar.

Kabel dan Konektor-Akselerometer PE membutuhkan penggunaan kabel koaksial dengan ketahanan isolasi tinggi, kebisingan rendah.Kabel bersuara rendah memiliki pelumas grafit yang tertanam di lapisan dielektrik untuk meminimalkan gesekan dan menghasilkan listrik statis "triboelektrik"Muatan elektrostatik yang dihasilkan oleh gerakan kabel sama dengan muatan yang dihasilkan dari elemen piezo.Konektor kabel biasanya Microdot®10-32 koaksial, kabel dan konektor terbatas.

Ukuran vs Sensitivitas-Ukuran, sensitivitas, dan respon frekuensi dari akselerometer PE semuanya saling terkait secara langsung.dan sebaliknyaKetika aplikasi pengukuran membutuhkan akselerometer miniatur untuk pertimbangan beban massa rendah,Kompromi mungkin harus dibuat dalam memilih akselerometer yang lebih besar yang memberikan sensitivitas yang memadai.

Biaya-Biaya akselerometer PE pada dasarnya sama dengan ICP setara®Namun, karena akselerometer PE membutuhkan penggunaan kabel berisik rendah dan amplifier muatan, biaya perchannel lebih tinggi daripada ICP®Kabel dan penguat adalah pertimbangan biaya utama dalam sistem pengukuran multi-saluran.

Keuntungan dari ICP® ACCELEROMETERS

Operasi yang disederhanakan-Sistem akselerometer ICP® menawarkan operasi yang disederhanakan yang membutuhkan lebih sedikit keahlian, pelatihan dan perhatian operator.sinyal output impedansi rendah yang hampir tidak terpengaruh oleh jenis kabel, panjang, dan kondisi operasi lingkungan.

Resolusi- Resolusi akselerometer ICP® hampir tidak terpengaruh oleh jenis kabel atau panjangnya. Resolusi adalah spesifikasi lembar data standar. Kabel panjang dapat digunakan tanpa peningkatan kebisingan,kehilangan resolusiKabel masukan yang panjangnya ratusan meter dapat bertindak sebagai filter LP pada data frekuensi ultra tinggi.Ini biasanya hanya masalah dengan sensor tekanan ICP® yang digunakan untuk pengukuran tekanan kejut mikrosekund dan gelombang ledakan.

Lingkungan Operasi- Akselerometer ICP® yang tertutup secara hermetis bekerja dengan baik di lingkungan yang buruk.Desain hermetik yang dilas umumnya lebih tahan terhadap kontaminasi daripada desain yang disegel epoxyKompatibilitas dengan lingkungan yang buruk membuat akselerometer ICP® pilihan yang disukai untuk pemantauan kesehatan mesin industri, di bawah air, di atas kapal, kendaraan dan aplikasi uji lapangan.

Kabel dan Konektor- Output impedansi rendah dari akselerometer ICP® memungkinkan fleksibilitas lengkap dalam jenis kabel dan konektor.Pertimbangan kabel dan konektor dapat menjadi penting dalam aplikasi tertentu yang melibatkan suhu tinggi atau rendah, tekanan, vakum, cairan korosif dan dimana beban massa menjadi perhatian.memungkinkan penggunaan kabel fleksibel ringan untuk meminimalkan efek tegangan dan beban massaAkselerometer industri menggunakan konektor besar dan kokoh dan/atau koneksi vulkanisasi untuk mencapai keandalan dalam lingkungan yang tidak menguntungkan.Penggunaan kabel standar dan konektor dalam sistem saluran besar meningkatkan manajemen kabel yang efektif dan merupakan faktor penting dalam pengurangan biaya.

Ukuran dan Sensitivitas- Dengan menggabungkan gain dalam akselerometer miniatur ICP®, dimungkinkan untuk memecahkan aplikasi yang membutuhkan akselerometer dengan massa rendah, sensitivitas tinggi, dan respons frekuensi tinggi.Peningkatan internal juga meningkatkan resolusi ICP® akselerometer keramik terstruktur yang menggabungkan muatan hibridabeberapa ICP®akselerometer menggabungkan sirkuit peningkatan tegangan, dan meskipun tingkat sinyal ditingkatkan untuk tujuan rekaman dan/atau penggerak kabel, begitu juga tingkat kebisingan.

Jangkauan Dinamis-ICP®Akselerometer memiliki rentang dinamis yang sangat luas. "Rentang Dinamis Terbatas atau Tetap" kadang-kadang dikutip sebagai "batas" ICP®Sebagian besar ICP®Akselerometer memiliki rentang dinamis lebih besar dari 100.000 hingga 1 (> 100 dB).Baik rentang dinamis dan resolusi dari ICP®Sensor yang dikenal spesifikasi lembar data.®sistem tidak kehilangan jangkauan dinamis, karena panjang kabel yang ditambahkan dan konfigurasi sistem.

Pemanfaatan ICP®Akselerometer-Tergantung pada model tertentu, ICP®akselerometer dapat beroperasi dari 0,5 mA hingga 20 mA arus konstan di mana saja dari 3 hingga 30 VDC. Untuk jangkauan dinamis yang diperluas, beberapa model khusus telah disediakan untuk beroperasi dari setinggi 35 VDC.Seperti yang diperingatkan sebelumnya, semua ICP®akselerometer tidak mengandung sirkuit listrik internal yang sama dan karenanya, mereka tidak selalu kompatibel dengan semua sumber daya arus konstan.Sensor bias dan tegangan pasokan keduanya mempengaruhi rentang dinamisPasokan arus mempengaruhi kemampuan penggerak kabel, terutama ketika mengemudi sinyal tegangan tinggi pada frekuensi tinggi.dengan atau tanpa keuntungan, dan operasi manual atau dikendalikan komputer.®Unit daya saluran sensor umumnya memasok arus 2 sampai 4 mA. Namun, mereka biasanya dapat disesuaikan hingga 20 mA, yang mungkin diperlukan ketika mengemudi kabel panjang pada frekuensi tinggi.Banyak instrumen pembacaan komersial, seperti FFT analyzer dan Vibration Data Collector, menggabungkan input daya arus konstan untuk koneksi langsung ke ICP®akselerometer. penguat muatan dua modus menggabungkan daya arus konstan untuk menyediakan operasi dengan PE dan ICP®akselerometer.

Monitor kesalahan kabel- Dalam ICP®sirkuit sensor dua kawat, sinyal/kekuatan diangkut melalui satu kawat dan sinyal kembali (tanah) melalui yang lain. Dengan memantau tegangan DC "bias" karakteristik yang ada pada kabel sinyal/kekuatan,adalah mungkin untuk mendeteksi kabel terbuka atau sirkuit pendek. ICP®Unit daya sensor biasanya menggabungkan meter berwarna merah, hijau, kuning, atau LED, untuk menunjukkan operasi normal atau kesalahan kabel.

Operasi Melalui Cincin Slip-Beberapa aplikasi pengukuran getaran pada mesin berputar membutuhkan operasi melalui slip ring.®akselerometer kompatibel dengan operasi melalui slip ring.

"TEDS" Transducer Elektronik Data Sheet- Penggabungan sirkuit memori "TEDS" ke ICP®akselerometer memungkinkan menyimpan informasi identifikasi diri seperti nama produsen, jenis sensor, model, nomor seri, sensitivitas, tanggal kalibrasi, ID saluran, lokasi sensor,dan informasi lainnya. TEDS akselerometerKondisioner sinyal TEDS digunakan untuk mengakses memori digital melalui kabel yang sama yang biasanya digunakan untuk pengukuran analog.Setelah data memori telah diakses, sirkuit memori digital dapat dihidupkan dan akselerometer dapat digunakan untuk operasi analog normal.biaya per saluran dari sistem ICP® jauh lebih rendah karena kabel khusus rendah kebisingan dan penguat muatan tidak diperlukanDari perspektif operasional, kurang perawatan, perhatian, dan usaha diperlukan untuk mengoperasikan dan memelihara sistem impedansi rendah..

KELAMBARAN ICP® ACCELEROMETERS
Output tetap-Karakteristik listrik, seperti sensitivitas, rentang, resolusi dan konstanta waktu pelepasan, ditetapkan dalam akselerometer ICP®.Konstan waktu pelepasan tetap kurang dari pembatasan dengan akselerometer daripada dengan tekanan kuarsa dan sensor kekuatan, yang dapat dioperasikan dalam mode konstan waktu panjang untuk tujuan kalibrasi kuasistatik.Rentang Suhu- Sebagian besar akselerometer ICP® tujuan umum memiliki kisaran suhu terbatas dari sekitar -65 ° F hingga +250 ° FModel kriogenik khusus beroperasi hingga -320 ° F dan desain suhu tinggi hingga +325 ° F.

RingkasanSistem amplifier muatan mendapatkan keuntungan dari rentang dinamis yang sangat luas dari akselerometer PE dengan menawarkan fleksibilitas dalam menyesuaikan karakteristik keluaran listrik seperti sensitivitas dan jangkauan.Mereka sangat cocok untuk operasi pada suhu tinggiSistem pengisian modern memiliki operasi kebisingan rendah yang ditingkatkan, kontrol digital yang disederhanakan, dan operasi output ganda untuk operasi dengan pengisian atau ICP®sirkuit impedansi tinggi tidak cocok untuk operasi di lingkungan medan atau pabrik yang buruk.Resolusi akselerometer PE mungkin tidak ditentukan atau tidak diketahui karena kebisingan adalah pertimbangan sistem yang ditentukan oleh panjang kabel dan gain amplifier. ICP®akselerometer beroperasi dari sumber daya arus konstan, memberikan tegangan tinggi, impedansi rendah, output mV / g tetap.Kabel koaksial dalam lingkungan yang buruk tanpa degradasi kualitas sinyalMereka memiliki jangkauan suhu tinggi yang terbatas.®sensor mudah dioperasikan. Resolusi dan rentang operasi adalah spesifikasi yang ditentukan. Biaya per saluran lebih rendah dibandingkan dengan sistem PE,karena kabel low-noise dan amplifier muatan tidak diperlukan.