UWAGA W WYBORZE ACCELEROMETRA Opłata i ICP®Piezoelektryczne układy scalone

Dostępny jest szeroki wybór akcelerometrów ładunku (PE) i układu piezoelektrycznego zintegrowanego (ICP®) do szerokiej gamy zastosowań pomiarowych wstrząsów i wibracji.Kryteria wyboru powinny obejmować specyfikacje elektryczne i fizyczne akcelerometru, charakterystyki działania oraz względy środowiskowe i operacyjne.Porównanie zalet i ograniczeń obu systemów może być pomocne w wyborze akcelerometru i systemu pomiarowego najbardziej odpowiedniego dla konkretnego laboratoriumWprowadzenie W niniejszym artykule omówione zostaną rozważania dotyczące wyboru czujników obejmujące dwa ogólne rodzaje czujników piezoelektrycznych.Wysoka impedancjaOprócz charakterystycznych właściwości elektrycznych i fizycznych czujników, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne, w przypadku gdy czujnik ma charakterystyczne właściwości elektryczne i fizyczne.W wyborze akcelerometru do konkretnego zastosowania odgrywa rolę kilka czynników:Czynniki te obejmują środowisko, funkcjonowanie, liczbę kanałów i kompatybilność systemu.

Wprowadzenie
W niniejszym artykule omówione zostaną względy dotyczące wyboru czujników obejmujące dwa ogólne rodzaje czujników piezoelektrycznych.
Oprócz charakterystyki elektrycznej i fizycznej czujnika, różne czynniki wpływają na jego funkcjonowanie.
Czynniki te obejmują środowiskowe, funkcjonalne, liczbę kanałów
i kompatybilności systemu.

PIEZO-ELEKTRYCZNE (PE) TYPU ACCELEROMETRY

Akcelerometry typu PE wytwarzają wysokiej impedancji, elektrostatyczny wydajność ładunku w odpowiedzi na naprężenie mechaniczne stosowane do piezoceramicznego lub kryształowego elementu czujnika.Ze względu na wysoką wrażliwość na ładunekKwarc, powszechnie uznawany za najbardziej stabilny ze wszystkich materiałów piezoelektrycznych, jest najpopularniejszym materiałem piezoelektrycznym w Europie.jest również powszechnie stosowany w ICP ogólnego przeznaczenia®Systemy wyjściowe ładowania są dostępne od około 40 lat.Akcelerometry PE działają poprzez kablów o niskim poziomie hałasu do wzmacniacza ładunku o wysokiej impedancji wejściowej, który przekształca sygnał ładowania w użyteczny sygnał napięcia niskiej impedancji do celów pozyskiwania.i dostosowanie wzrostu/zakresuOpcje mogą obejmować filtrowanie, integrację dla prędkości i/lub przemieszczenia oraz regulację stałej czasu wejścia, która określa reakcję niskiej częstotliwości.Współczesne wzmacniacze ładunku są zaprojektowane z bardziej skutecznymi obwodami nisko hałasowymi i mogą zawierać uproszczone wyświetlacze LCD i cyfrowe sterowaniaNiektóre modele "podwójnego trybu" działają zarówno z PE, jak i ICP®Główną zaletą laboratorium systemu ładowania jest elastyczność regulacji i sterowania elektrostatycznym wyjściem ładunku z akcelerometru PE.Zestawy z napędem elektrycznym, zazwyczaj o stałych właściwościach, były stosowane w przeszłości do zastosowań lotniczych.Akcelerometry PE mogą również działać w temperaturze wyższej niż akcelerometry ICP® z wbudowaną elektronikąGłówne ograniczenia systemu ładowania PE obejmują złożoność systemu, trudności w obsłudze, utrzymanie obwodów o wysokiej impedancji w brudnych, niekorzystnych warunkach oraz zwiększenie hałasu, gdy urządzenie nie jest w stanie wykonywaćdziałając przez długie kable wejściowe.Obwody o wysokiej impedancji są na ogół bardziej podatne na zakłócenia elektryczne.

Zintegrowane obwody piezoelektryczne (ICP)®) ACCELEROMETRY

ICP®akcelerometry zawierają wbudowany mikroelektroniczny wzmacniacz ładunku lub napięcia,o funkcji przekształcania wysokiej impedancji ładunku elektrostatycznego z elementu czujnika PE w sygnał niskiej impedancji napięciaW konstrukcjach spawanych hermetycznie wszystkie obwody o wysokiej impedancji są uszczelnione i elektrycznie osłonięte wewnątrz akcelerometru.®Akcelerometry powstały w połowie lat 60.®Akcelerometry działają z niskokosztowego, stałego źródła zasilania prądem przez obwód z dwóch przewodów, przy czym sygnał/moc jest przenoszony przez jeden przewód, a drugi przewód służy jako uziemienie.Kabel może być zwykłym koaksjalnym lub taśmą drutuNie jest wymagany kabel o niskim hałasie.Stały prąd do uruchamiania akcelerometru pochodzi z oddzielnej jednostki zasilania lub może być wbudowany wewnątrz instrumentu odczytu, takiego jak analizator FFT lub zbieracz danychZintegrowane elektroniczne akcelerometry są dostępne pod wieloma różnymi nazwami towarowymi, takimi jak ICP.®(PCB Piezotronics), Izotron®(Endevco), Delta-Tron®(B&K), oraz Piezotron®Chociaż wbudowana elektronika jest "powszechną cechą", wszystkie zintegrowane elektroniczne akcelerometry niekoniecznie są ze sobą wymienne lub "kompatybilne".Niektóre zawierają obwody MOSFET, inne JFETS. Niektóre używają hybrydowych, mikroelektronicznych, wzmacniaczy ładunku, inne obserwatorów napięcia.Niektóre działają od 00,5 mA dla niskich zużyć energii i inne działające do 20 mA dla jazdyZaleca się sprawdzenie specyfikacji czujnika ICP® i mocy przed założeniem zgodności.Główną zaletą pracy o niskiej impedancji jest możliwość ciągłego działania akcelerometrów ICP® w niekorzystnych warunkach, poprzez długie, zwykłe kable koaksjalne, bez zwiększenia hałasu lub utraty rozdzielczości.Główne ograniczenie dotyczy pracy w podwyższonych temperaturachAkcelerometry ICP®, skonstruowane z elementami czujników kwarcowych i specjalną elektroniką, działają dobrze w temperaturach kryogenicznych.Tabela 1 zawiera wyczerpujący wykaz zalet i ograniczeń akcelerometrów PE i ICP®Lista ta została zweryfikowana i dostarczona przez konsultantów zewnętrznych z wieloletnim doświadczeniem w technologii wstrząsów i wibracji.podlegają dodatkowym wkładom w stosunku do zalet i ograniczeń.

TABELLA I UWAGI WYBORU ACCELEROMETRów PE i ICP®

SENSOR PE

Zalety

- elastyczność w prawidłowej regulacji charakterystyki wyjściowej akcelerometrów

- Szeroki zakres dynamiczny

-Działanie w temperaturze wyższej niż 500 °F

-Wymienność w istniejących systemach ładowania

-Rozszerzona reakcja niskiej częstotliwości

Ograniczenia

-Wymaga szkolenia i wiedzy specjalistycznej do zrozumienia i obsługi obwodów o wysokiej impedancji

- Efekty pojemnościowe z akcelerometru i kabla zwiększają hałas i zmniejszają rozdzielczość

- Obwody o wysokiej impedancji muszą być utrzymywane w czystości i suchości (czujnik, kabl nisko hałasowy i wzmacniacz ładunku).

- Wymaga specjalnego kable o niskim poziomie hałasu, aby zminimalizować hałas triboelektryczny

- Systemy o wysokiej impedancji są bardziej podatne na zakłócenia elektryczne i RF

- rozmiar akcelerometru PE i wrażliwość są bezpośrednio powiązane - rozważanie wrażliwości/rozmiaru/masy obciążenia

- Wyższe koszty na kanał niż ICP®rodzaj (ze względu na wymagany kabel o niskim poziomie hałasu i wzmacniacz ładowania)

Każde z tych rozważań zostanie teraz omówione bardziej szczegółowo zarówno w odniesieniu do PE, jak i ICP.®akcelerometry.

Zalety akcelerometrów PE

Elastyczność-Laboratoryjny wzmacniacz ładunku typu "bankowy" zazwyczaj ma sterowanie regulacją i modyfikacją sygnału wyjściowego z akcelerometru PE.ustawienie zysku i zakresu pełnej skaliWzmacniacz ładunku może również mieć możliwość filtrowania, integracji i regulacji stałej czasu rozładowania, co określa reakcję niskiej częstotliwości.Wzmacniacze ładunku podwójnego trybu zapewniają również stały prąd, co umożliwia obsługę zarówno z ICP®, oraz czujniki PE wypływowych.

Zakres dynamiczny-Zazwyczaj akcelerometr PE o wysokiej wrażliwości może działać w szerokim zakresie dynamicznym (> 100 dB).wydajność w pełnej skali można ustawić na dowolny poziom g w zakresie maksymalnymZakres dynamiczny można zdefiniować jako zakres pracy od rozdzielczości do maksymalnego zakresu, w którym czujnik pozostanie w specyfikacji.ani zakres dynamiczny, ani rozdzielczość nie są określone dla większości ceramicznych akcelerometrów PE ze strukturą kryształowąMaksymalny zasięg jest czasami określany przez maksymalną dopuszczalną nieliniowość związaną z obsługą w wyższym zakresie..Rozdzielczość oparta jest na hałasie układu, który jest określany przez zwiększenie wzmacniacza i obciążenie pojemnościowe z kabla wejściowego i akcelerometru na wejściu wzmacniacza ładunku.

Działanie w wysokiej temperaturze-Ponieważ akcelerometr PE nie zawiera wbudowanej elektroniki, temperaturę pracy ogranicza jedynie element czujnika i materiały stosowane w konstrukcji.Akcelerometry PE zwykle działają do temperatury 500 °F. Dostępne są specjalne modele do temperatury > 1000 °F. Aby uzyskać najlepszą dokładność, akcelerometr powinien być kalibrowany w temperaturze roboczej.

Wymienność... Praktycznie każdy akcelerometr PE jest wymienny w systemie wyjścia ładowania, z wyjątkiem niektórych modeli, które mogą mieć bardzo niską odporność izolacyjną w wysokich temperaturach.Specjalne wzmacniacze ładunku są dostępne do pracy z wejściami o niskim oporze.

Rozszerzona reakcja niskiej częstotliwości-Czujniki siłowe kwartowe są powszechnie stosowane w zastosowaniach kontrolowanych siłą wstrząsaczy.Czujniki siły kwarcowe mają stałe czasu rozładowania w rzędzie setek, lub tysiące sekund, zapewniając doskonałą reakcję niskiej częstotliwości i możliwość kalibracji statycznej

Ograniczenia akcelerometrów PE

Specjalistyka-Szkolenie i wiedza specjalistyczna są niezbędne do zrozumienia, obsługi i utrzymania systemów wyjściowych ładunku.skutki obciążenia pojemnościowego, hałas systemu, ustawienie urządzeń sterujących wzmacniaczem ładunku oraz utrzymanie systemu w czystości i wolnym od wilgoci.które ułatwiają wprowadzanie czułości i ustawianie zakresu.

Rozstrzygnięcie-Chociaż rozdzielczość akcelerometrów PE może być uważana za nieskończoną, rozdzielczość nie jest zazwyczaj określona na karcie danych, ponieważ jest określona przez hałas systemu.Do czasu określenia wartości pojemności czujnika i długości kabla wejściowego i ustawienia wzmacniacza, rozdzielczość nie jest znana, co może powodować niepewność w przypadku pomiarów niskiego poziomu obejmujących długie kable.ma wpływ na hałas systemu i rozdzielczośćBrak zdolności do napędzania długich kabli jest jednym z głównych ograniczeń systemu wyjściowego ładowania akcelerometru PE.Zminimalizuj ten problem. hałas "tribopolektryczny" generowany w wyniku ruchu kabla wejściowego może również pogarszać rozdzielczość.

Środowisko operacyjne-Akcelerometry PE o wysokiej impedancji i wzmacniacze ładunku najlepiej nadają się do pracy w czystych warunkach laboratoryjnych.Wszystkie elementy o wysokiej impedancji, w tym akcelerometru, kabli o niskim poziomie hałasu i wzmacniacza ładunku, należy utrzymywać w czystości i suchości.i przesunięcie w linii wyjściowej.

Kable i złącza-Akcelerometry PE wymagają stosowania wysokiej odporności izolacyjnej, nisko hałasowego kabla koaksjalnego.Kabel o niskim poziomie hałasu posiada smarownik grafit wbudowany w warstwę dielektryczną w celu zminimalizowania tarcia i wytwarzania "triboelektrycznej" elektryczności statycznejŁadunek elektrostatyczny generowany przez ruch kabla jest taki sam jak ładunek generowany przez pierwiastek piezo.Połączacze kablowe są zwykle Microdot®Kable i złącza są ograniczone.

Rozmiar vs. wrażliwość-Wielkość, wrażliwość i częstotliwość akcelerometrów PE są bezpośrednio ze sobą powiązane.i odwrotnieW przypadku zastosowań pomiarowych, w których wymagany jest miniaturowy akcelerometr w celu uwzględnienia niskiej masy obciążenia,w przypadku większego akcelerometru, który zapewnia odpowiednią czułość, może być konieczne podjęcie kompromisów.

Koszty-Koszt akcelerometru PE jest zasadniczo taki sam jak równoważny ICP®Jednakże, ponieważ akcelerometr PE wymaga stosowania kabli o niskim poziomie hałasu i wzmacniaczy ładunku, koszty na kanał są wyższe niż ICP.®Kable i wzmacniacze są głównymi czynnikami kosztowymi w systemach pomiarowych wielokanałowych.

ZAWORZĄCIE ICP® ACCELEROMETER

Uproszczona operacja...Systemy akcelerometrów ICP® zapewniają uproszczoną obsługę wymagającą mniejszej wiedzy fachowej, szkolenia i uwagi operatora.sygnał wyjściowy o niskiej impedancji, który praktycznie nie podlega wpływowi typu kabla, długości i warunków eksploatacji środowiska.

Rozstrzygnięcie- rozdzielczość akcelerometrów ICP® jest praktycznie niezależna od rodzaju lub długości kabla.utrata rozdzielczościKable wejściowe o długości kilkuset metrów mogą działać jak filtr LP na ultra wysokiej częstotliwości danych.Zazwyczaj dotyczy to tylko czujników ciśnienia ICP® stosowanych do pomiarów ciśnienia w wyniku wstrząsu mikrosekundowego i fal uderzeniowych..

Środowisko operacyjne- Hermetycznie uszczelnione akcelerometry ICP® działają dobrze w niekorzystnych warunkach, są odporne na zanieczyszczenia, ponieważ wszystkie obwody o wysokiej impedancji są bezpiecznie uszczelnione wewnątrz akcelerometru.Zwierzęta te są zazwyczaj bardziej odporne na zanieczyszczenia niż epoksydoweKompatybilność z niekorzystnym środowiskiem sprawia, że akcelerometry ICP® są preferowanym wyborem do monitorowania stanu maszyn w przemyśle, podwodnych, pokładowych, pojazdów i zastosowań badawczych w terenie.

Kable i złącza- Niższa impedancja akcelerometrów ICP® pozwala na pełną elastyczność w zakresie typu kabla i złączy.Rozważania dotyczące kabli i złączy mogą być ważne w niektórych zastosowaniach wymagających wysokich lub niskich temperaturW miniaturowych akcelerometrach ICP® często wykorzystywane są połączenia końcowe lutownicze,umożliwiające stosowanie lekkiego, elastycznego kabla w celu zminimalizowania skutków obciążenia i obciążenia masyPrzemysłowe akcelerometry używają dużych, wytrzymałych złączy i/lub wulkanizowanych połączeń w celu osiągnięcia niezawodności w niekorzystnych warunkach.Stosowanie standardowych kabli i złączy w systemach dużej liczby kanałów sprzyja skutecznemu zarządzaniu kablami i jest istotnym czynnikiem obniżającym koszty.

Wielkość i wrażliwość- Dzięki włączeniu wzmocnienia w miniaturowych akcelerometrach ICP® możliwe jest rozwiązanie zastosowań wymagających akcelerometrów o niskiej masie, wysokiej wrażliwości i wysokiej częstotliwości.Wewnętrzny zysk poprawia również rozdzielczość ceramicznych akcelerometrów ICP® ze strukturą zawierających ładunek hybrydowyWzmacniacze.®Akcelerometry zawierają obwody zwiększające napięcie, a chociaż poziom sygnału jest zwiększany do celów rejestracji i/lub napędzania kabli, poziom hałasu również.

Zakres dynamiczny-ICP®Akcelerometry mają bardzo szeroki zakres dynamiczny. "Ograniczony lub stały zakres dynamiczny" jest czasami określany jako "ograniczenie" ICP®Większość ICP®niektóre modele sejsmiczne zawierające specjalne obwody o niskim poziomie hałasu mają zakres >500.000 do 1.Zarówno zakres dynamiczny, jak i rozdzielczość ICP®W tym celu należy wprowadzić systemy monitorowania i monitorowania.®system nie traci zasięgu dynamicznego ze względu na dodatkową długość kabla i konfigurację systemu.

Wyposażenie ICP®Akcelerometry-W zależności od konkretnego modelu ICP®Akcelerometry mogą działać od 0,5 mA do 20 mA stałego prądu w zakresie od 3 do 30 VDC.Jak ostrzegałem wcześniej, wszystkie ICP®Akcelerometry nie zawierają tego samego wewnętrznego obwodu elektrycznego i w związku z tym niekoniecznie są kompatybilne ze wszystkimi źródłami mocy stałego prądu.Przeklęcie czujnika i napięcie zasilania wpływają na zakres dynamiczny. Prąd zasilający wpływa na zdolność napędową kabla, zwłaszcza podczas napędu sygnałów wysokonapięciowych na wysokich częstotliwościach.z zyskiem lub bez, oraz obsługa ręczna lub sterowana komputerowo.®Jednostki zasilania linii czujników dostarczają zwykle prądu od 2 do 4 mA. Są jednak zwykle regulowane do 20 mA, co może być wymagane podczas napędzania długich kabli na wysokich częstotliwościach.Wiele komercyjnych instrumentów odczytu, takie jak analizatory FFT i zbieracze danych wibracyjnych, zawierają wprowadzenie mocy stałego prądu do bezpośredniego podłączenia do ICP®wzmacniacze ładunku podwójnego trybu zawierają stały prąd, aby zapewnić działanie zarówno z PE, jak i ICP®akcelerometry.

Monitor usterek kablowych. W ICP®Dwuprzewodowe obwody czujników, sygnał/moc jest przenoszony przez jeden przewód i sygnał powraca (ziemia) przez drugi.możliwe jest wykrycie otwartych lub krótkich obwodów w kablu. ICP®Jednostki zasilania czujników zazwyczaj zawierają czerwone, zielone, żółte liczniki kolorowe lub diody LED, aby wskazywać normalną pracę lub usterki kabli.

Operacja przez pierścienie ślizgowe-Niektóre zastosowania pomiarowe drgań na obracających się maszynach wymagają działania przez pierścienie ślizgowe.®Akcelerometry są kompatybilne z działaniem przez pierścienie ślizgowe.

"TEDS" Przełącznik Elektroniczny Włączenie obwodu pamięci "TEDS" do ICP®akcelerometry umożliwiają przechowywanie informacji identyfikacyjnych, takich jak nazwa producenta, typ czujnika, model, numer seryjny, czułość, data kalibracji, identyfikator kanału, lokalizacja czujnika,i inne informacjeAkcelerometry TEDSKondycjoner sygnału TEDS jest używany do uzyskiwania dostępu do pamięci cyfrowej za pomocą tych samych przewodów, które są zwykle używane do pomiarów analogowych.Po uzyskaniu dostępu do danych pamięci, cyfrowy obwód pamięci można wyłączyć, a akcelerometr można wykorzystać do normalnej pracy analogowej.Koszty na kanał systemu ICP® są znacznie niższe, ponieważ nie są wymagane specjalne kabły nisko hałasowe i wzmacniacze ładowaniaOszczędności mogą być znaczne w porównaniu kosztów systemów wielokanałowych. Z punktu widzenia operacyjnego do obsługi i utrzymania systemów o niskiej impedancji wymagane jest mniej staranności, uwagi i wysiłku.

Ograniczenia akcelerometrów ICP®
Stały wydajnośćCharakterystyki elektryczne, takie jak wrażliwość, zakres, rozdzielczość i stała czasu rozładowania, są ustalone w akcelerometrze ICP®.Stała stała czasu rozładowania jest mniejszym ograniczeniem dla akcelerometrów niż dla czujników ciśnienia i siły kwarcowych, który może być obsługiwany w trybie stałej długości czasu do celów kalibracji kwastastatycznej.Zakres temperatury - Większość akcelerometrów ICP® ogólnego przeznaczenia ma ograniczony zakres temperatury od około -65 ° F do +250 ° FSpecjalne modele kriogeniczne działają do -320 °F, a konstrukcje o wysokiej temperaturze do +325 °F.

PodsumowanieSystemy wzmacniaczy ładunku korzystają z bardzo szerokiego zakresu dynamicznego akcelerometrów PE, oferując elastyczność w regulacji właściwości wyjściowych, takich jak wrażliwość i zasięg.Są odpowiednie do pracy w wysokich temperaturach.Nowoczesne systemy ładowania charakteryzują się ulepszoną pracą o niskim poziomie hałasu, uproszczonym sterowaniem cyfrowym i podwójnym działaniem wyjściowym do pracy z ładowaniem lub ICP.®Układy o wysokiej impedancji nie nadają się do pracy w niekorzystnym polu lub w warunkach fabrycznych.Rozdzielczość akcelerometru PE nie może być określona ani znana, ponieważ hałas jest kwestią systemową określoną przez długość kabla i wzrost wzmacniacza. ICP®Akcelerometry działają z źródła prądu stałego, zapewniają wysokonapięciowy, niskoimpedancyjny, stały wyjście mV/g.kabli koaksjalnych w niekorzystnych warunkach bez pogorszenia jakości sygnałuMają ograniczony zakres wysokiej temperatury.®w przypadku, gdy czujniki są łatwe w obsłudze, zarówno rozdzielczość, jak i zakres pracy są określone jako specyfikacje.ponieważ nie są wymagane kable o niskim poziomie hałasu i wzmacniacze ładowania.