Соображения выбора акселерометра заряда и ICP®Интегрированная цепь пьезоэлектрическая

Существует широкий выбор заряда (PE) и интегрированные пьезоэлектрические (ICP®) акселерометры, доступные для широкого спектра применений измерения амортизации и вибрации. Критерии отбора должны включать электрические и физические спецификации акселерометра, характеристики производительности, а также экологические и оперативные соображения. Сравнение преимуществ и ограничений двух систем может быть полезно при выборе акселерометра и системы измерения, лучше всего подходящей для конкретной лабораторной, полевой, заводской, подводной, судовой или воздушной применения. Введение В этом документе будут рассмотрены соображения выбора датчиков с участием двух общих типов пьезоэлектрических датчиков. Высокий импеданс, тип выхода заряда (PE) и ICP® с характерным низким результатом импеданса. В дополнение к электрическим и физическим характеристикам датчиков, несколько факторов играют роль в выборе акселерометра для конкретного применения. Эти факторы включают окружающую среду, оперативную работу, количество каналов и совместимость системы

Введение
В этой статье будут рассмотрены соображения выбора датчиков с участием двух общих типов пьезоэлектрических датчиков. Высокий импеданс, выход заряда
(PE) Тип и ICP® с характерным низким результатом импеданса. В дополнение к электрическим и физическим характеристикам датчиков несколько факторов
Сыграйте роль в выборе акселерометра для конкретного применения. Эти факторы включают экологическую, операционную, количество каналов
и совместимость системы.

Piezo Electric (PE) акселерометры типа

Акселерометры типа PE генерируют высокоимпедансную, электростатическую выходную мощность в ответ на механическое напряжение, применяемое к его пьезой керамике или кристаллическому зондирующему элементу. Из -за высокой чувствительности заряда пьезой керамика обнаружила широкое использование как в акселерометрах режима заряда, так и в режиме напряжения. Кварц, обычно признанный как наиболее стабильный из всех пьезоэлектрических материалов, также обычно используется в ICP общего назначения®Акселерометры, стандарты переноса калибровки и датчики давления и силовых давлений PE. Системы вывода заряда были доступны около 40 лет. PE Accelerometers работают через кабель с низким шумом в усилитель высокого входного импеданса, который преобразует сигнал заряда в полезный сигнал напряжения с низким импедансом для целей сбора. Усилитель заряда предусматривает преобразование, нормализацию и регулировку усиления/диапазона. Опции могут включать фильтрацию, интеграцию для скорости и/или смещения, а также регулировку постоянной времени входного времени, которая определяет низкочастотную характеристику. Современные усилители заряда разработаны с более эффективными схемами с низким шумом и могут включать упрощенные ЖК-дисплеи и цифровые элементы управления. Некоторые модели «двойного режима» работают как с PE, так и с ICP®Акселерометры. Основным преимуществом лабораторной системы заряда является гибкость корректировки и управления электростатическим выводом заряда акселерометра PE. Миниатюрные, твердотельные усилители заряда, как правило, с фиксированными характеристиками, использовались исторически для применения в воздухе. PE Accelerometers также могут работать до более высокой температуры, чем акселерометры ICP® со встроенной электроникой. Основные ограничения системы заряда PE включают сложность системы, сложность работы, поддержание высоких цепей импеданса в грязных неблагоприятных средах и увеличение шума, когда они увеличиваются, когдаРабота через длинные входные кабели.Высокие схемы импеданса, как правило, более восприимчивы к электрическим помехам.

Интегрированная цепь пьезоэлектрический (ICP®) Акселерометры

ICP®Акселерометры включают встроенный микроэлектронный заряд или усилитель напряжения, который функционирует для преобразования электростатического заряда с высоким импедансом из сенсорного элемента PE в сигнал напряжения с низким импедансом. В сварных конструкциях герметика вся схема высокого импеданса герметична и электрически экранирована внутри акселерометра. ICP®Акселерометры были впервые изготовлены в середине 1960 -х годов. ICP®Акселерометры работают из недорогого, постоянного источника мощности через двухпроводную цепь с сигналом/мощностью, переносимым через один провод, а другой провод, служащий заземленным. Кабель может быть обычным коаксиальным или ленточным проводом. Кабель с низким шумом не требуется. Постоянный ток для работы акселерометра поступает из отдельного силового блока или может быть включена в инструмент считывания, такой как анализатор FFT или сборщик данных. Интегрированные электронные акселерометры доступны под несколькими различными именами товарных знаков, таких как ICP®(PCB Piezotronics), Isotron®(Endevco), Delta-Tron®(B & K) и пьезотрон®(Кистлер), чтобы упомянуть несколько. Хотя встроенная электроника является «общей нитью», все интегрированные электронные акселерометры не обязательно взаимозаменяемы или «совместимы» друг с другом. Некоторые содержат схемы MOSFET, другие JFET. Некоторые используют гибридные, микроэлектронные, усилители заряда, другие последователи напряжения. Хотя большинство интегрированных электронных акселерометров работают от постоянного тока 2 до 4 мА, некоторые работают от 0,5 мА для низкого энергопотребления, а другие работают до 20 мА для вожденияДлинные кабели на высоких частотах. Рекомендуется проверить характеристики датчика и мощности ICP®, прежде чем предполагать совместимость. Основным преимуществом операции с низким импедансом является способность ICP® ускорителей для постоянного работы в неблагоприятных средах, посредством длинных, обычных, коаксиальных кабелей, без качества шума или потери разрешения. Стоимость за канал меньше, так как низкоквалифицированные усилители кабеля и заряда не требуются. Основное ограничение включает в себя работу при повышенных температурах, выше 325 ° F. Акселерометры ICP®, структурированные с помощью Quartz Sensing Elements и специальной электроники, хорошо работают при криогенных температурах. Таблица 1 представляет собой полный список преимуществ и ограничений акселерометров PE и ICP®. Этот список был рассмотрен, а вклад, предоставленные внешними консультантами с многолетним опытом в области шока и технологий вибрации. Список следует считать «динамическим», при условии, что дополнительные входы относительно преимуществ и ограничений.

Таблица I Собрания по выбору Accelerometers PE & ICP®

Датчик физкультуры

Преимущества

-Потредактивность при регулировке ускорительных характеристик электрических выходных характеристик

-Водный динамический диапазон

-По

-Взаимозаменяемость в существующих системах заряда

-Расширенная низкочастотная реакция

Ограничения

-Требуется обучение и опыт для понимания и эксплуатации с высоким сопротивлением

-Капациальные эффекты от акселерометра и кабеля увеличивают шум и уменьшают разрешение

-Высокая схема импеданса должна быть чистой и непреклонной. (Датчик, низкоклевой кабель и усилитель заряда)

-О.

-Системы импеданса более подвержены электрическим и радиочастотным помехам

-П -акселерометр размер и чувствительность напрямую связаны - чувствительность/размер/массовая нагрузка.

-Больше стоимости за канал, чем ICP®Тип (из-за требуемого кабеля с низким шумом и усилителя заряда)

Каждое из этих соображений теперь будет более подробно рассмотрено как для PE, так и для ICP®Акселерометры.

Преимущества PE Accelerometers

Гибкость-Лабораторный усилитель заряда «тип скамейки» обычно имеет элементы управления для регулировки и изменения выходного сигнала от акселерометра PE. Как минимум, существуют элементы управления для нормализации чувствительности, усиления установки и полномасштабного диапазона и заземления. Усилитель заряда также может иметь возможность для фильтрации, интеграции и регулировки постоянной времени разряда, которая определяет низкочастотную характеристику. Усилители заряда с двумя режимами также обеспечивают постоянный ток, который позволяет работать с помощью ICP®и зарядка выходных датчиков PE.

Динамический диапазон-Как правило, высокочувствительный акселерометр PE может работать в широком динамическом диапазоне (> 100 дБ). При использовании с усилителем лабораторного заряда можно установить полномасштабный выход для любого уровня G в пределах максимального диапазона. Динамический диапазон может быть определен как диапазон работы от разрешения до максимального диапазона, который датчик останется в спецификации. Тем не менее, ни динамический диапазон, ни разрешение не указаны для большинства керамических кристаллических структурированных PE Accelerometers. Максимальный диапазон иногда определяется максимально приемлемой нелинейностью, связанной с работой в более высоком диапазоне. Нелинейность часто выражается в процентах от числа «x», например, 1% на 500 г. Разрешение основано на системном шуме, который определяется усилением усилителя и емкостной нагрузкой из входного кабеля и акселерометра на входе усилителя заряда.

Высокая температурная работа-Поскольку акселерометр PE не содержит встроенную электронику, рабочая температура ограничена только чувствительным элементом и материалами, используемыми в конструкции. PE Accelerometers обычно работают до 500 ° F. Специальные модели доступны для> 1000 ° F. Для наилучшей точности акселерометр должен быть откалиброван при рабочей температуре.

Взаимозаменяемость- Практически любой акселерометр PE является взаимозаменяемым в системе вывода заряда, за исключением некоторых моделей, которые могут иметь очень низкую изоляционную сопротивление при высоких температурах. Специальные усилители заряда доступны для эксплуатации с низким уровнем устойчивости.

Расширенная низкочастотная реакция-Кварцевые датчики силы обычно используются в приложениях Shaker, контролируемого силой. В сочетании с усилителями электростатического заряда с высоким входным импедансом (> 1012 Ом), кварцевые силовые датчики обладают постоянными времени разгрузки в порядке сотен или тысяч секунд, передавая превосходную низкочастотную реакцию и способность для статической калибровки

Ограничения PE Accelerometers

Опыт-Обучение и опыт необходимы для понимания, эксплуатации и поддержания систем вывода заряда. Основное понимание схемы с высоким импедансом, кабелей с низким шумом, сенсорной ПК/чувствительности, емкостных эффектов нагрузки, необходимых системных управлений усилителя заряда и поддержания чистой и безразличной влаги. Некоторые новые усилители заряда имеют цифровые элементы управления, которые упрощают внедрение чувствительности и диапазона настройки.

Разрешение-Хотя разрешение для акселерометров PE может считаться бесконечным, разрешение обычно не указывается на листе данных, поскольку оно определяется системным шумом. До тех пор, пока значения емкости для датчика и длины входного кабеля не будут определены, а набор усиления усилителя разрешение не известно. Это может представлять неопределенности для измерений низкого уровня с участием длинных кабелей. Хотя увеличение длины кабеля не влияет на чувствительность, она влияет на шум и разрешение системы. Отсутствие возможности управлять длинными кабелями является одним из основных ограничений системы вывода заряда PE Accelerometer. Новые, более современные усилители заряда, с схемами с низким шумом, минимизируют эту проблему. «Трибоэлектрический» шум, созданный в результате входного движения кабеля, также может ухудшить разрешение.

Операционная среда-Высоко-импедансные акселерометры и усилители заряда лучше всего подходят для работы в условиях чистых лабораторных условий. Они не очень хорошо работают в неблагоприятных заводах, корабле или подводных условиях. Все компоненты с высоким импедансом, включая акселерометр, кабель с низким шумом и усилитель заряда, должны быть чистыми и сухими. Загрязнение цепи высокого импеданса вызывает низкую сопротивление, потерю низкой частотной реакции и базовый дрейф.

Кабель и разъемы-PE Accelerometers требует использования высокой изоляционной сопротивления, коаксиального кабеля с низким шумом. Кабель с низким шумом имеет графитную смазку, встроенную в диэлектрический слой, чтобы минимизировать трение и генерацию «трибоэлектрической» статической электричества. Электростатический заряд, генерируемый движением кабеля, такой же, как и заряд, сгенерированный из пьезо. Усилитель заряда не может дифференцировать между ними. Кабельные разъемы обычно микродот®10-32 коаксиальный. Выбор кабеля и разъема ограничен.

Размер против чувствительности-Размер, чувствительность и частотная отзывчика акселерометров PE все напрямую взаимосвязаны. Чем больше акселерометр, тем выше чувствительность, но снижает частотную характеристику и наоборот. Когда применение измерения требует миниатюрного акселерометра для соображений загрузки с низкой массой, может быть сделан компромисс при выборе более крупного акселерометра, который обеспечивает адекватную чувствительность.

Расходы-Стоимость акселерометра PE по существу такая же, как эквивалентный ICP®дизайн. Однако, поскольку акселерометр PE требует использования низкоквалифицированного кабеля и усилителей заряда, ценовая канала выше, чем ICP®Выходной канал напряжения. Кабели и усилители являются основными соображениями затрат в многоканальных системах измерения.

Преимущества акселерометров ICP®

Упрощенная операция-Системы акселерометров ICP® предлагают упрощенную работу, требуя меньшего опыта работы, обучения и внимания. Они предоставляют фиксированный выходной сигнал с низким импедансом, который практически не зависит от типа кабеля, длины и условий работы окружающей среды.

Разрешение- разрешение Accelerometers ICP® практически не зависит от типа кабеля или длины. Разрешение является стандартной спецификацией листа данных. Длинные кабели могут использоваться без увеличения шума, потери разрешения или ослабления сигнала. Входные кабели сотни футов в длину могут действовать в качестве фильтра LP на ультра-высокочастотных данных. Тем не менее, это обычно вызывает озабоченность датчикам давления ICP®, используемыми для измерений микросекундной амортизации и давления взрыва.

Операционная среда- Герметически герметичные акселерометры ICP® хорошо работают в неблагоприятных условиях. Они устойчивы к загрязнению, так как вся схема с высоким импедансом безопасно запечатана внутри акселерометра. Сварные герметические конструкции, как правило, более устойчивы к загрязнению, чем эпоксидные запечатанные конструкции. Совместимость с неблагоприятными средами делает ICP® ускоряет предпочтительный выбор для мониторинга здоровья промышленных машин, подводных, судовых, транспортных и полевых испытательных применений.

Кабель и разъемы- Низко-импеданс-выход Accelerometers ICP® обеспечивает полную гибкость в типе кабеля и разъемах. Соображения кабеля и разъема могут быть важны в определенных применениях, включающих высокую или низкую температуру, давление, вакуум, коррозионные жидкости и где представляет собой массовую нагрузку. Миниатюрные конструкции акселерометра ICP® часто включают в себя подключения паяла, что позволяет использовать легкий гибкий кабель, чтобы минимизировать эффекты деформации и массовой нагрузки. Промышленные акселерометры используют большие прочные разъемы и/или вулканизированные соединения для достижения надежности в неблагоприятных условиях. Использование стандартных кабелей и разъемов в крупных системах канала способствует эффективному управлению кабелями и является значительным фактором снижения затрат.

Размер и чувствительность- Включив усиление в миниатюрные акселерометры ICP®, можно решить приложения, требующие ускоренных средств с низкой массой, высокой чувствительностью и высокой частотной реакцией. Внутреннее усиление также улучшает разрешение керамических структурированных акселерометров ICP®, включающих гибридный зарядусилители. Немного ICP®Accelerometers включают схемы усиления напряжения, и, хотя уровень сигнала повышается для записи и/или кабельного управления, так же уровень шума.

Динамический диапазон-ICP®Акселерометры имеют очень широкий динамический диапазон. «Ограниченный или фиксированный динамический диапазон» иногда цитируется как «ограничение» ICP®Акселерометры. Большинство ICP®Акселерометры имеют динамический диапазон динамического диапазона более 100 000 до 1 (> 100 дБ). Некоторые сейсмические модели, включающие в себя специальные схемы с низким шумом, имеют диапазон от 500 000 до 1. Как динамический диапазон, так и разрешение ICP®Датчик являются известными спецификациями листа данных. Еще более значительный, ICP®Система не теряет динамический диапазон из -за дополнительной длины кабеля и конфигурации системы.

Питание ICP®Акселерометры-В зависимости от конкретной модели, ICP®Акселерометры могут работать от 0,5 мА до 20 мА постоянный ток в целом от 3 до 30 В постоянного тока. Для расширенного динамического диапазона были предоставлены специальные модели для работы с 35 В постоянного тока. Как предупреждалось ранее, все ICP®Акселерометры не содержат одинаковой внутренней электрической цепи, и, следовательно, они не обязательно совместим со всеми источниками мощности постоянного тока. Смещение датчика и напряжение питания влияют на динамический диапазон. Ток подачи влияет на возможности вождения кабеля, особенно при управлении высоковольтными сигналами на высоких частотах. Постоянные мощности тока доступны сегодня с питанием батареи или линии, с усилением или без него, а также с ручной или компьютерной управлением. ICP®Подразделения линии датчика обычно поставляют ток от 2 до 4 мА. Тем не менее, они обычно регулируются на 20 мА, что может потребоваться при движении длинных кабелей на высоких частотах. Многие коммерческие инструменты считывания, такие как анализаторы БПК и коллекционеры вибрации, включают ввод постоянного тока для прямого подключения к ICP®Акселерометры. Усилители заряда с двумя режимами включают в себя мощность постоянного тока, чтобы обеспечить работу как с PE, так и с ICP®Акселерометры.

Кабельный монитор неисправности- В ICP®Двухпроводные датчики, сигнал/мощность переносятся по одному проводу и возврату сигнала (заземляющуюся) над другим. Следив за характеристическим напряжением DC «смещения», которое существует на сигнальном/электронном проводе, можно обнаружить открытые или короткие замыкания кабеля. ICP®Устройства питания датчиков обычно включают красные, зеленые, желтые цветовые измерители или светодиоды, чтобы указать нормальную работу или разломы кабеля.

Работа через скользящие кольца-Определенные применения измерения вибрации на вращающемся механизме требуют работы через скользящие кольца. Характерное выходное напряжение с низким импедансом от ICP®Акселерометры совместим с работой через скользящие кольца.

«Тедс» преобразователь электронный лист данных- Включение схемы памяти "TEDS" в ICP®Accelerometers позволяет хранить информацию о самостоятельной идентификации, такую ​​как имя производителя, тип датчика, модель, серийный номер, чувствительность, дата калибровки, идентификатор канала, местоположение датчика и другая информация. Тедс АкселерометрыРаботайте в «смешанном» аналоговом или цифровом режиме. Кондиционер сигнала TEDS используется для доступа к цифровой памяти по тем же проводам, обычно используемым для аналоговых измерений. Как только данные памяти будут доступны, цифровой схему памяти можно переключаться, а акселерометр можно использовать для нормальной аналоговой работы. Затраты. Хотя большинство акселерометров ICP® и PE по существу стоят одинаково, затраты на систему ICP® существенно ниже, поскольку специальные кабели с низким шумом и усилители заряда не требуются. Экономия может быть существенной при сравнении затрат на многоканальные системы. С оперативной точки зрения, требуется меньшая забота, внимание и усилия для работы и поддержания систем низкого импеданса.

Ограничения акселерометров ICP®
Фиксированный выход-Электрические характеристики, такие как чувствительность, диапазон, разрешение и постоянная времени разряда, фиксируются в акселерометре ICP®. Постоянная постоянная времени с фиксированным разрядом является меньшим ограничением с акселерометрами, чем с датчиком Quartz и датчиками силы, которые могут работать в длительном постоянном режиме для целей квазистатической калибровки. Диапазон температуры - большинство акселерометров ICP® общего назначения имеют ограниченный диапазон температуры от примерно -65 ° F до +250 ° F. Специальные криогенные модели работают до -320 ° F, а высокая температура -до +325 ° F.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕСистемы усилителя заряда получают выгоду от очень широкого динамического диапазона акселерометров PE, предлагая гибкость при настройке электрических выходных характеристик, таких как чувствительность и диапазон. Они хорошо подходят для работы при высоких температурах. Современные системы зарядки имеют улучшенную работу с низким шумом, упрощенные цифровые элементы управления и операцию с двойным выводом для работы с зарядом или ICP®Датчики режима напряжения. Схема с высоким импедансом не подходит для работы в неблагоприятных или заводских средах. Разрешение акселерометра PE не может быть указано или известно, поскольку шум является системным соображением, определяемым длиной кабеля и усилением усилителя. ICP®Акселерометры работают из источника мощности постоянного тока, обеспечивают высоковольтный, низкоимпеданс, фиксированный MV/G. Они работают через длинный, обычный коаксиальный кабель в неблагоприятных средах без ухудшения качества сигнала. Они имеют ограниченный высокий диапазон температуры. ICP®Датчики просты в эксплуатации. Как разрешение, так и эксплуатационный диапазон являются определенными спецификациями. Стоимость за канал ниже по сравнению с системами PE, поскольку низкоклевые кабельные и усилители заряда не требуются.