IEPE传感器与电荷输出传感器

在本文中，我们将查看可用于向 IEPE 传感器供电的典型电源装置的图表。我们还将了解 IEPE 型和电荷输出传感器的优点和局限性。
为 IEPE 传感器供电 — 电流调节二极管
图 1 显示了可与 IEPE 传感器一起使用的电源单元的基本图。

图 1. 带有 IEPE 传感器的电源单元的示例框图。图片由Dytran提供

首先，需要一个稳压良好的直流电源和一个电流调节电路来为传感器供电。直流电源通常提供 18 至 30 V 的电压。如图所示，可以通过电流调节二极管 (CRD)实现电流调节。CRD 是无论电压波动和负载电阻变化如何都能提供恒定电流的二极管。CRD 可以在小于 1 V 至 100 V 的宽电压范围内保持电流恒定。CRD 的原理图符号如下图 2 所示。

图 2.  CRD 示意图。

虽然大多数 IEPE 传感器可由 2 至 4 mA 电流源供电，但在某些情况下需要高达 20 mA 的电流。CRD 的额定电流通常为 4 mA。对于较大电流，要么采用多个CRD并联，要么采用大容量恒流电路代替。
请注意，不具备限流功能的电源不应用于为 IEPE 传感器供电，否则传感器将立即被损坏。
IEPE 电源装置通常有一个电压表，用于监控传感器偏置电压并通知用户系统状态（短路、开路或正常工作状态）。请记住，对于 IEPE 传感器，输出信号和电源电压均通过两线连接传输。
如图 1 所示，许多 IEPE 电源装置使用耦合电容器将信号与直流偏置电压分开。还有一些电源装置采用直流耦合以避免降低系统的放电时间常数。
典型 IEPE 传感器系统

如图 3 所示，有两种为 IEPE 传感器供电的选项。一些读出仪器具有专门为 IEPE 传感器设计的内置恒流电源。如果读出设备不包括 IEPE 电源，则应使用单独的电源装置，如图所示。
为 IEPE 传感器供电的选项。
图 4 显示了支持 IEPE 传感器的示例读出设备。

图 4.  IEPE 传感器的示例读出设备和图表。图片由NI提供

图 4 显示了NI 9234，它是一款四通道信号采集模块，具有软件可选的 IEPE 信号调节功能。如输入电路图所示，该器件具有 2 mA 恒流电源和交流耦合选项。
典型电荷输出（非 IEPE）系统
图 5 显示了基于电荷输出传感器的典型测量系统，即没有集成前置放大器的压电传感器。
n 电荷输出传感器测量系统示例。

图 5. 电荷输出传感器测量系统示例。图片由PCB Piezotronics提供

在这种情况下，需要外部电荷放大器将传感器的电荷输出转换为电压信号。此外，应使用屏蔽良好的低噪声同轴电缆将传感器连接到电荷放大器。然而，可以在电荷放大器和读出仪器之间使用标准同轴电缆。
IEPE 传感器与电荷输出传感器
当今大多数应用都使用 IEPE 类型；然而，电荷输出传感器有其自身的优点。下面，我们将评估每种方法的优缺点。
传感器工作温度范围
IEPE 传感器的内置电子器件对系统的工作温度范围设定了上限。对于标准电子设备，温度通常约为 125°C。使用特殊的电子元件可以将上限提高到165℃左右。
另一方面，电荷输出传感器没有内部电子器件，其高温极限由压电材料的居里温度设定。居里温度指定材料失去压电特性的温度。电荷输出传感器可在高达 700°C 的温度下工作。
此外，IEPE型加速度计在通用测试市场中很受欢迎，而电荷输出压电加速度计在涉及温度高于约150°C的应用中占主导地位。
除了居里温度限制之外，电荷输出传感器中采用的材料的绝缘电阻也会限制系统的工作温度。在之前的文章中，我们讨论了传感器绝缘电阻在高温下会显着降低。我们还解释说，小的绝缘电阻可能会导致电荷放大器发生漂移。
将通用电荷放大器连接到绝缘电阻非常小的传感器时，除了漂移问题之外，还可能会观察到其他意外和未知的特性。图 6 显示了连接到低电阻传感器的通用电荷放大器的频率响应。
具有低电阻传感器的电荷放大器的频率响应图。

图 6.具有低电阻传感器的电荷放大器的频率响应图。图片由Endevco提供

在绝缘电阻值非常低的情况下，系统的幅度响应在所需频率范围的下端表现出超过 10 dB 的峰值。在高温下工作时，我们需要选择能够处理非常低的绝缘电阻并保持平坦的频率响应的电荷放大器。
电缆要求
电荷输出传感器需要经过特殊处理的电缆，以限度地减少摩擦电噪声。摩擦电噪声是指两种不同材料摩擦在一起时产生的不需要的电荷。电缆的弯曲或振动可能会导致摩擦电噪声。非 IEPE 传感器的高阻抗输出可能会被此类噪声破坏，因此，电荷输出传感器和电荷放大器之间需要特殊的低噪声电缆。这些电缆通常比标准电缆更昂贵并且增加了非IEPE系统的成本。
此外，电荷输出传感器的高阻抗输出具有有限的线路驱动能力，将传感器和电荷放大器之间的电缆长度限制在约10米以下。另一方面，标准同轴电缆可用于在相对较长的距离上传输 IEPE 传感器的低阻抗输出，而不会显着增加噪声水平。
灵活调整传感器参数
对于 IEPE 传感器，传感器参数（例如灵敏度和时间常数）在制造时是固定的。我们可以使用外部电路来放大或衰减传感器的输出，但我们不能改变传感器的灵敏度或时间常数。另一方面，电荷输出传感器产生的信号由外部电荷放大器处理，这可以为我们在调整系统时间常数等参数方面提供更大的灵活性。特殊类型的电荷放大器可以为我们提供非常长的时间常数，扩展系统的低频响应。