Что такое акселерометр с выходом по напряжению
A акселерометр с выходом по напряжению является пьезоэлектрический акселерометр со встроенной электронной схемой обработки сигнала, которая преобразует электрический заряд с высоким импедансом, генерируемый пьезоэлектрическим кристаллом, в выходной сигнал с низким импедансом. Этот термин, по сути, является синонимом акселерометр IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric) и с технологией ICP® (Integrated Circuit Piezoelectric, товарный знак компании PCB Piezotronics). Обозначение “режим напряжения” просто подчеркивает, что датчик выдает напряжение (обычно в милливольтах на грамм), а не заряд (в пикокулонах на грамм), что отличает его от более старой конструкции в режиме заряда. Признавая, что «режим напряжения», IEPE и ICP в основном описывают одно и то же преобразователь значительно упрощает работу с техническими паспортами продукции и технической документацией.
Устройства с режимом управления по напряжению стали практически повсеместным стандартом в промышленности вибрация измерений — более 95 % всех применений — благодаря своей простоте (не требуется внешний усилитель), удобству использования (простое двухпроводное подключение) и низкой стоимости. Именно эти датчики являются основной рабочей силой большинства современных мониторинг вибрации и диагностика.
1. Принцип работы встроенной электроники
Отличительной особенностью является микроэлектронный усилитель, встроенный в корпус датчика и расположенный непосредственно за пьезоэлектрическим элементом:
- Преобразование заряда в напряжение: Полевой транзистор или усилитель на базе микросхемы преобразует заряд с высоким импедансом, генерируемый кварцем, в напряжение с низким импедансом непосредственно у источника, еще до того, как сигнал начнет проходить по кабелю.
- Мощность при постоянном токе: Усилитель питается постоянным током, подаваемым измерительным прибором — по тем же двум проводам поступает питание постоянного тока и выводится сигнал переменного тока.
- Смещение и сигнал вместе: который ускорение сигнал подается в виде переменного напряжения, наложенного на напряжение постоянного смещения на этом единственном выходе.
Поскольку преобразование импеданса происходит внутри датчика, удалось отказаться от длинного и хрупкого кабеля, по которому передаются заряды, что было проблемой в предыдущих конструкциях, — а вместе с ним исчезли и большинство помех, а также чувствительность к условиям эксплуатации, связанные с его использованием.
2. Формат выходного сигнала и требования к питанию
Output format
- Чувствительность: обычно 10–1000 мВ/г.
- Типовое значение: 100 мВ/г — это отраслевой стандарт.
- Signal type: Переменное напряжение, пропорциональное ускорению.
- Выходное сопротивление: низкое, как правило, менее 100 Ом.
Требования к питанию
- Постоянный ток: Обычно 2–20 мА, при этом стандартное значение по умолчанию составляет 4 мА.
- Напряжение питания: 18–30 VDC.
- Bias voltage: На выходе напряжение 8–12 В постоянного тока.
- Двухпроводная схема: питание и сигнал передаются по одному коаксиальному кабелю.
3. Преимущества
Простота системы
- Без внешних усилитель с зарядовым входом требуется.
- Датчик подключается непосредственно к прибору.
- Снижение общей стоимости системы.
- Меньше компонентов, а значит, меньше точек отказа.
Возможности кабеля
- Низкий выходной импеданс позволяет подключать длинные кабельные линии — длиной до 300 м.
- Можно использовать стандартный недорогой коаксиальный кабель.
- Хорошая устойчивость к электрическим помехам, возникающим на линии.
- Гибкий и нетребовательный к условиям монтажа.
Ease of use
- Простое подключение по принципу «plug-and-play».
- Minimal setup.
- Стандартизированный интерфейс, поддерживаемый многими системами.
- Обеспечивает широкую совместимость с различными приборами и устройствами сбора данных.
4. Сравнение с акселерометрами зарядного типа
Выбор между схемами, работающими в режиме напряжения и в режиме заряда, зависит от условий эксплуатации.
| Аспект | Режим напряжения (IEPE/ICP) | Charge-Mode |
|---|---|---|
| Сложность системы | Все просто — без внешнего усилителя | Требуется внешний усилитель заряда |
| Расходы | Ниже | Выше |
| Cable | Длинные линии, стандартный коаксиальный кабель, хорошая помехоустойчивость | Короткий специальный кабель с низким уровнем шума |
| Максимальная температура | До ~175°C (предельное значение для электроники) | До ~650°C |
| Особые условия | Ограниченный | Устойчив к радиации (ядерный); отсутствие активной электроники, которая могла бы выйти из строя |
Одним словом, режим напряжения охватывает более 95 % промышленных применений, тогда как режим заряда используется лишь в тех нишевых случаях, когда рабочая температура превышает примерно 175°C или присутствует ионизирующее излучение, способное вывести из строя встроенную электронику.
5. Общие технические характеристики
Параметры чувствительности
- 10 мВ/г: высокая вибрация и удары (в диапазоне около ±500 g).
- 50 мВ/г: общего назначения (диапазон около ±100 г).
- 100 мВ/г: отраслевой стандарт (в пределах ±50 g).
- 500–1000 мВ/g: прецизионные работы с низким уровнем вибрации (в диапазоне примерно ±5–10 g).
Правильное значение зависит от ожидаемых амплитуд; преобразование выходного напряжения в физическое ускорение для данного устройства — это именно то, что Калькулятор чувствительности датчика вибрации для чего он предназначен, и это напрямую связано с заявленными характеристиками датчика чувствительность.
Частотная характеристика
- Нижняя граница частотного диапазона: примерно 0,5–5 Гц в точке −3 дБ (с переменным током).
- Верхний предел частоты: увеличивается по мере приближения к резонансной частоте, которая составляет от 10 до 70 кГц в зависимости от размера датчика.
- Usable band: до примерно одной пятой (20%) установленной резонансной частоты для точности амплитуды в пределах нескольких процентов (по ISO 5348); одна треть резонанса — лишь грубый предел для скрининга, с ошибкой по амплитуде порядка 10–12%.
Диапазон рабочих температур
- Стандарт: от −50 до +120 °C.
- Подробнее: от −50 до +150 °C.
- High-temp: от −50 до +175 °C.
- При температуре выше 175 °C требуется датчик режима заряда.
6. Варианты, упаковка и эквивалентные термины
Варианты дизайна
- IEPE с компрессионным режимом (наиболее распространённый и экономичный вариант).
- Режим сдвига IEPE (высококачественный, с повышенной устойчивостью к базовым деформациям и тепловым скачкам).
- Дифференциальный выход (улучшенное подавление синфазного сигнала).
- Варианты с низким уровнем шума (с сверхнизким уровнем шума для прецизионных измерений).
Package types
- Промышленное исполнение (герметичное и прочное).
- Миниатюрный (для помещений с ограниченным пространством).
- Трехосный (три ортогональные оси в одном теле).
- Субминиатюрный (весом менее 10 граммов, для легких конструкций).
Синонимы, с которыми вы можете столкнуться
- Voltage-mode: общий дескриптор.
- IEPE: Интегральная электроника Пьезоэлектрическая — стандартный общий термин.
- ICP®: «Integrated Circuit Piezoelectric» — товарный знак компании PCB Piezotronics.
- CCLD: Линейный драйвер с постоянным током — терминология Brüel & Kjær.
- Deltatron®: торговая марка компании Brüel & Kjær.
- Все вышеперечисленное: по сути, та же самая технология — пьезоэлектрический элемент и встроенная электроника, работающие от источника постоянного тока.
7. Передовой опыт в данной области
Для повседневной работы с вращающимся оборудованием разумным выбором по умолчанию является герметичный датчик промышленного класса с чувствительностью 100 мВ/г; следует выбрать температурный диапазон в соответствии с условиями эксплуатации, а также герметичный корпус для загрязненных или влажных сред. Способ крепления имеет огромное значение, поскольку от него зависит максимальная частота, при которой датчик может работать:
- Крепление на шпильках для проведения измерений с максимальной частотой и наивысшей повторяемостью.
- Клей для полустационарных установок.
- Magnetic base для быстрого определения маршрута — это удобно, но снижает резонансную частоту и, следовательно, полезную полосу пропускания.
- Правильно монтаж датчика за ISO 5348 имеет решающее значение; можно оценить, насколько данный способ крепления смещает резонанс крепления with an Калькулятор резонансной частоты крепления акселерометра.
Обеспечивайте калибровку датчика — ежегодно для критически важных установок — проверяйте кабели, состояние крепления и проводите быструю проверку работоспособности перед любым важным измерением; периодически калибровка — вот что обеспечивает прослеживаемость показаний. Обратите внимание: не каждый переносной прибор является устройством считывания IEPE: Balanset-1A, например, поставляется с двумя аналоговыми MEMS акселерометры вместо IEPE/ICP-датчиков, и совместимость с IEPE/ICP-датчиками сторонних производителей для этого прибора не заявлена — уточняйте у производителя перед планированием такой интеграции.
Акселерометры с выходом по напряжению (IEPE/ICP) являются основными датчиками в современном промышленном мониторинге вибрации, сочетая в себе высокую эффективность пьезоэлектрического преобразования с встроенной электроникой, что обеспечивает простоту и надежность. Их доминирующее положение отражает оптимальный баланс между эксплуатационными характеристиками, стоимостью и простотой использования в подавляющем большинстве задач мониторинга состояния и диагностики вращающегося оборудования.
