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IEPE與數據采集

一、IEPE的由來

IEPE是壓電集成電路,Integrated Electronics Piezo-Electric的縮寫。

圖1 IEPE

它指的是一種自帶電量放大器或電壓放大器的加速度傳感器,也有人將它叫做ICP。這種稱呼產生於上世紀六七十年代,當時有很多廠傢生產這種帶內置電路的壓電傳感器,其中PCB公司將自己生產的傳感器命名為ICP,其他公司也就開始使用這一稱謂。

隨著市場的擴大,PCB公司就將ICP註冊為商品名,導致其他公司無法使用,所以業內提出以IEPE來命名這種傳感器,並逐漸受到瞭行業內眾多公司的認同,其中包括PCB公司。因為國內的PCB的產品較多,所以ICP的叫法也沿用下來。

二、IEPE的檢測原理

回歸正題,IEPE既然是一種壓電式傳感器,那麼它利用的原理自然是壓電效應。壓電效應又分為正壓電效應和負壓電效應。正壓電效應是指:某些電介質在一定方向上受到外力作用產生形變時,介質內部會發生極化現象,也就是在它的兩個相對表面上,會產生正負相反的電荷。這裡的電介質就是指一些特殊的材料,比如壓電陶瓷等。

圖2 正壓電效應

當外力消失時,電荷就會消失,當外力的方向發生變化,電荷的極性也會隨之改變。

圖3 正壓電效應 壓縮

逆壓電效應是指:向電介質的極化方向上施加一個電場,介質會隨之發生形變,當電場消失,介質的形變也會消失。由此可見壓電效應是一種瞬時的變化,所以壓電傳感器可以測量動態量。

圖4 逆壓電效應

IEPE也是一種加速度傳感器,它是怎樣將加速度轉變為電信號的呢?

首先我們要明白加速度是什麼。加速度是由牛頓第二定律定義的,常見表述是:物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質量成反比。加速度的方向,與作用力的方向保持一致。公式表示為:a=F/m,其中F為物體受到的合力,m為物體的質量,a為物體的加速度,單位是 m/s^{2} 。質量m一般不會變化,可以提前測得。而力F的大小,則可以利用壓電效應測量,這樣就可以求物體加速度的大小。

還有一個問題,因為力與加速度都是矢量,即它們都是有方向的。在實際應用中,我們也需要知道物體的加速方向,以判斷物體所處的狀態,如:傾斜角度有多大、是否發生反轉,是否在晃動等等情況。為解決這樣的問題,可以將傳感器分為三部分,即X軸、Y軸和Z軸。

圖5 三軸傳感器

用X、Y表示在平面中的運動方向,Z軸表示在空間中的上升和下降,這樣就可以判斷物體的運動瞭。三軸加速度傳感器雖然精確,但是使用成本較高,所以根據實際使用情況的不同,還有單軸,雙軸等類型的傳感器。

三、IEPE的內部結構

說瞭這麼多IEPE到底是如何工作的呢?首先IEPE整體組裝在一個金屬殼內,下面連接一個剛度較大的基座,在殼體內部,兩片壓電片組成壓電元件並且表面鍍銀。壓電片之間是金屬片,它可以將壓電元件產生的電荷,通過引線輸入到集成電路中,壓電片上方連接著一個質量較小的質量塊,質量塊由剛度較大的彈簧或是螺栓,對其施加預載荷剛度較大”我們可以理。其中的“解為物體在受力時不容易產生形變。

圖6 IEPE結構

在使用IEPE測量振動時,應將傳感器與被測物固定在一起,由於彈簧的剛性大而質量塊的質量小,所以質量塊受到的振動與基座的振動是相同的。因為質量塊不斷變化的慣性力的作用,使得壓電片受到的壓力不斷變化,從而產生高阻抗的電荷信號,這些電荷信號通過與金屬片相連的引線,輸入到內置的集成電路中。集成電路又將輸入的電荷信號轉化成低阻抗的電壓信號輸出。

圖7 IEPE輸出信號

IEPE還需要使用一個恒流源供電,電流一般在2mA~20mA之間。在大多數情況下,4mA的恒定電流值是一個很好的折衷方案,其供電電壓在18V~30V之間。

IEPE傳感器的內部集成電路中一個很重要的器件就是電荷放大器,它可以將電荷信號轉變為電壓信號。其原理圖如下:

圖8 電荷放大器

計算Uo與Q的關系,由電路圖可知:

U=-A*U_{d}

U_{Cf}=U_{o}-U_{d}=(1+A)U_{d}

Q_{Cf}=U_{Cf}*C_{f}=(1+A)U_{d}*C_{f}

Q=Q_{C1}+Q_{Cf}=U_{d}*(C_{1}+(1+A)*C_{f})

可得 U_{d}=frac{Q}{(C_{1}+(1+A)*C_{f})}

又因為 U_{o}=-A*U_{d}

則有 U_{o}=frac{-A*Q}{C_{1}+(1+A)*C_{f}}

忽略公式中數量級較小的參數可得: U_{o}=frac{Q}{C_{f}}

它便是IEPE輸出的電壓信號。但這個信號是交流信號疊加在直流電源上的電壓信號,所以我們還要通過交流耦合,將信號中的直流成分去掉。使其變為以0V為基準的波形。

四、IEPE參數

最後我們介紹一下IEPE的參數及其優缺點,IEPE的靈敏度單位是mV/g,其中g是重力加速度。靈敏度越高測量范圍越小,靈敏度越低測量范圍越大。傳感器的最大量程是由最大輸出電壓與靈敏度的比值決定的。在選擇傳感器時,要特別註意這兩個參數。

IEPE的優點是內部帶有集成電路,導致它的抗幹擾能力很好,可以用長軸電纜輸出,而且方便安裝,使用簡單。缺點也因為內部的集成電路使的它的溫度范圍變窄,一般小於125℃,而且內部的集成電路與傳感器承受同樣的測試條件,很容易出現故障,對環境的要求也更高。

以上就是我們對IEPE相關內容的介紹,下面我們將通過實驗,使用數據采集卡采集IEPE的加速度信息。

五、利用IEPE采集物體振動信息

本次實驗,我們通過風扇模擬物體發生損壞時震動信息的變化情況。

圖9 風扇

用到的實驗器材有:USB-3213數據采集卡、SRD-1104-IEPE信號調理器、IEPE傳感器和風扇。

圖10 試驗設備

SRD-1104IEPE信號調理器,可以將IEPE的極性信號調整為雙極性信號,而且能夠為傳感器提供4mA的恒流電源,同時調理器使用USB供電或者外接24V電源。IEPE的參數是:量程10g、激勵電流2mA~20mA、靈敏度:501.5mV/g。各設備間的連接方式是:首先將IEPE傳感器與信號調理器的IEPE 0接口相連;將IEPE信號調理器的IEPE OUT 0接口與采集卡的AI 0連接;將GND與采集卡的AI Sense連接;將采集卡上的AGND與Ai Sense短接。

圖11 采集卡與SRD-1104連接

然後將采集卡和信號調理器通過USB線纜連接到電腦上;最後將IEPE傳感器固定在風扇邊框上。

圖12 風扇及采集卡連接

在采集實驗數據前,我們還需要調整采集卡軟件的有關設置:將縱坐標設置為-10~10,並且取消勾選自動調整坐標。

圖13 坐標調整

在軟件設置中,勾選單端模式。

圖14 單端模式

勾選AI 0通道。

圖15 勾選通道

采樣率設置為10k。

圖16 設置采樣率

勾選單位變化,使傳感器輸出電壓為10~-10,傳感器單位為“g”,傳感器量程設置成10~-10。

圖17 單位變換

選擇數據存儲路徑。

圖18 存儲數據

其他內容不變,將橫縱表設置為0~100。

圖19 設置橫坐標

點擊啟動,可以看到當風扇不轉動時振動基本不發生,數據穩定在0坐標上。

圖20 風扇未轉動

當風扇正常轉動時,數據在0.2~-0.2之間波動。

圖21 風扇正常轉動

為瞭模擬風扇損壞的情況,我們在扇葉上粘貼一個紙團,破壞它的結構,當開啟風扇時,可以看到它的震動信息有瞭明顯的變化。

圖22 風扇異常轉動

觀察風扇前後的震動數據,可以很容易地判斷出風扇是否發生瞭損壞,放大橫坐標後可以清楚的觀察到震動的波動情況。

圖23 對比

打開數據存儲路徑,我們可以通過軟件將數據轉換為CSV格式。

圖24 轉換存儲文件

以上就是使用Smacq數據采集卡采集IEPE傳感器信號的全部內容。更多傳感器與采集卡的內容大傢可移步至官網查看。文章的視頻內容請點擊下面的鏈接跳轉:

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