搜索
Endevco技术论文—TP326—在当代数据采集系统中使用IEPE加速度计需要考虑的实际因素多年来，传感器制造商都会给传感器提供相应的高质量信号调理放大器。特别是电荷式压电传感器（PE）及电压式压电传感器（IEPE，内部带集成电路的压电传感器），加速度计制造商都会提供相应的放大器。这些放大器使用非常灵活，它允许用户为下游的数据采集系统设置任一的加速度计输入灵敏度及输出放大倍数。大多数情况下，加速度计制造商只满足于提供信号调理放大器，将数据采集系统市场空间置身于身外。然而，随着使用IEPE加速度计快速普及及增长，并且组建IEPE加速度计的信号调理器看起来非常简单容易，有一些数据采集系统厂商开始提供集成在数据采集系统中的IEPE加速度计信号调理器。当使用这些信号调理器/数据采集系统时非常方便，并且可以降低用户成本的同时保证他们的测量达到他们所要求的高水准。这些因素下面会单独讨论。电源要求---电流不像电荷式压电加速度计，IEPE加速度计需要电源才能工作。这些信号调理器/数据采集系统必须能够提供适合加速度计要求的电源。由于不同的IEPE加速度计要求的电源不同，因此用户必须参考加速度计技术说明书上的电源要求。(这里没有针对IEPE的统一行业标准，比如ISA或ANSI没有定义IEPE).如果没有合适的电源满足加速度计的规格要求，用户就不能保证加速度计正常工作，这样就会有得到低质量或无效测试数据的风险。IEPE的电源模式是独特的，它使用恒流电源，而不是使用恒压电源给加速度计的内部电路提供电源。参照图1所示的IEPE电源模式的通用示意图。首先要考虑的因素就是用户必须确认他们的数据采集系统能够提供足够的恒流电源。IEPE加速度计经常定为在一个很宽的电流范围下都可以正常工作，通常最小电流定义为2mA。无论加速度计定义的最小电流为何数值，用户必须保证他们的数据采集系统可以提供这个最小电流。这个应该在数据采集系统的规格书详细说明，或它也可以被测量出来。参考图2来测量数据采集系统可以提供的最小电流值。使用一个1Kohm的电阻连接IEPE电源和接地线，然后使用电流表测量通过电阻的电流。这个电流就是数据采集系统可以提供的电流。这个1Kohm的电阻模拟一个加速度计，而且它能有效的告诉数据采集系统打开恒流电源。对于需要使用长电缆的应用场合，或是高幅值及高频率的振动的测量，需要数据采集系统提供比加速度计规定的最小电流值更高的电流。这个问题会在后面部分讨论。电源要求---恒流制输出电压当IEPE电源模式使用恒流源时，为了它输出的电压信号不会出现失真现象，加速度计仍然需要一个电压源。这个电压源通常称为恒流制输出电压源，它就是一个恒流源所能输出的最大电压。如果信号调理器/数据采集系统不能提供足够高的电压，加速度计可能达不到用户预期的如规格书所定义的满量程范围，从而得到一个失真的输出信号及错误的数据。IEPE加速度计用户必须考虑他们的信号调理器/数据采集系统是否可以提供加速度计所需要的恒流制输出电压。和恒流源一样，IEPE加速度计经常定为在一个很宽的电压范围下都可以正常工作，通常最小电压定义为18VDC,但是可以高达24VDC。用户必须保证他们的数据采集系统能够提供所要求的最小电压。和恒流源一样，这个恒流制输出电压应该在数据采集系统的规格书上说明。不过它的近似值可以通过下面的简单方法测量出来。参照图3所示。使用一个50Kohm的电阻连接IEPE电源和接地线。测试该电阻两端的电压，该电压值就是恒流制输出电压的近似值。要注意在某些特殊的情况下，允许IEPE加速度计在略小于所要求的最小恒流源及电压的情况下工作，但是在任何情况下都不允许加速度计在超过规定的最大恒流源及电压下工作。在这种情况下有永久损坏加速度计的风险。噪音考虑许多IEPE加速度计具备非常好的噪音性能，但是如果信号调理器/数据采集系统不能利用加速度计这个性能，它就会降低加速度计的高性能特性。用户必须考虑数据采集系统的噪音性能不会降低加速度计测量数据的品质。一些低成本的信号调理器/数据采集系统在这方面尤其有问题。从IEPE电源的内在工作方式（见图1）可以看出，任何起源于稳流器供应电源的噪音会直接加载到加速度计的输出信号。通常，一些低成本数据采集系统使用的供应电源是由一些简单的开关直流变压器供电，他们通常噪音很大。对于这个噪音，除了尽量不使用这些低成本及低端的数据采集系统外，通常用户没有太多办法控制。在信号调理器/数据采集系统积分过程中，噪音这个最显著的弱点就会被凸显出来。频率响应---高频响应用户必须根据实际应用考虑他们所使用仪器的频率极限，上限频率及下限频率。IEPE加速度计的频率响应通常比较好，但是，和噪音性能一样，用户必须保证信号调理器/数据采集系统不会降低频率响应的性能到不能接受或达不到预期的水准。系统的高频响应取决于被测量的最大加速度信号幅值、加速度计于信号调理器/数据采集系统之间电缆的电容值（电缆的长度）及数据采集系统可用来驱动电缆的恒流源电流大小。这个关系可以用下面的数学表达式表示：这里I——用来驱动电缆的恒定电流大小（单位：A）a——预期的被测量加速度信号幅值（单位：g）S——加速度计灵敏度（单位：V/g）L——电缆总长度（任一长度单位）C——电缆每单位电容值（单位：F/长度单位，这个长度单位必须和电缆的长度单位一致）（注意从信号调理器/数据采集系统提供的恒流源应该减去1mA.这个1mA是消耗在加速度计的电路本身，而其余的电流用来驱动电缆）从上面这个方程式可以清楚的看出数据采集系统提供的电流大小和高频截止频率（-3dB）成正比。如果数据采集系统提供的电流不足，即使达到了加速度计的最小电流要求，也会降低测量系统的带宽。用户必须考虑信号调理器/数据采集系统可以提供多大的电流以保证系统的频率带宽足够满足所进行的测量要求。如果系统需要使用非常长的电缆或需要测量高幅值及/或高频信号时特别要注意这点。频率响应---低频响应IEPE加速度计在正常供电后，会输出一个直流偏压，同时还会输出一个和加速度值成比例的动态交流信号。这是IEPE电源模式的固有特性。直流偏压必须在信号调理器/数据采集系统中过滤掉，以便动态信号进行下一步处理。这个通常使用一个RC网络完成，这样就设定了系统的低频响应。用户必须考虑信号调理器/数据采集系统的低频截止频率是否适合他们的应用。加速度计也许指定了一个非常低的低频频率点，但是如果数据采集系统的低频点没有达到同样（或更好）的水准，它也会降低加速度计的低频性能。结论总之，用户在使用IEPE加速度计时要考虑好这几个因素，特别是在使用新的信号调理器/数据采集系统。这些因素是：1.保证信号调理器/数据采集系统提供足够的恒定电流来给加速度计供电。2.保证信号调理器/数据采集系统提供加速度计所要求的恒流制输出电压。3.考虑信号调理器/数据采集系统的噪音性能。许多低成本系统会大大降低加速度的噪音性能。4.考虑测试系统的高频频率响应。特别是保证在使用非常长电缆或测量高幅值及/或高频加速度信号时，信号调理器/数据采集系统能够提供组后的电流。5.考虑信号调理器/数据采集系统的低频频率响应。正确处理好这些因素可以帮助用户避免从IEPE加速度计得到错误的数据，同时保证测量数据的品质达到预期及所要求的水准。在开发飞行器及非常关注乘客及工作人员安全的这类关键应用中尤其是这样。