Entegre devre teknolojisindeki son gelişmeler, piezoelektrik sensör enstrümantasyonunda büyük gelişmeler sağlamıştır. Bu yazının amacı, kullanıcıya sensör sinyal koşullandırmanın avantajları, sınırlamaları ve temel teorisi hakkında bilgi vererek günümüzün gelişmiş sensör konseptlerinin kullanışlılığını arttırmaktır.
Bu eğitim kılavuzu aşağıdaki temel sensör enstrümantasyonu türlerini ele alacaktır:
1. Charge Output Sensörler- Yüksek çıkış empedansı, tipik olarak sinyal koşullandırma için harici charge veya voltaj amplifikatör gerektiren piezoelektrik sensörler (dahili elektronik devre olmadan).
2. Internally Amplified Sensörler- Düşük empedans, dahili entegre devreli piezoelektrik kuvvet, ivme ve basınç tipi sensörler.(ICP ®, PCB’nin dahili elektronik bileşenlerini içeren sensörlerini tanımlayan tescilli ticari markasıdır.)
Charge Output Sensörler
Tarihsel olarak, neredeyse tüm dinamik ölçüm uygulamalarında piezoelektrik charge çıkış sensörleri kullanılmıştır. Bu sensörler sadece bir piezoelektrik algılama elemanı içerir (dahili elektronik olmadan) ve yüksek empedanslı çıkış sinyaline sahiptir. Charge çıkış sensörlerinin ana avantajı, yüksek sıcaklıklı ortamlarda çalışabilmeleridir. Bazı sensörler +538ºC’yi aşan sıcaklıklara dayanabilir. Bununla birlikte, piezoelektrik algılama kristalleri tarafından üretilen çıktı, çeşitli çevresel faktörlerden kaynaklanan bozulmaya karşı son derece duyarlıdır. Radyo frekansı parazitini (RFI) ve elektromanyetik paraziti (EMI) azaltmak için düşük gürültülü kablolama (Low Noise cabling) kullanılmalıdır. Bağlantı sargısı veya bant kullanımı triboelektrik (harekete bağlı) paraziti azaltır. Kaymayı önlemek ve tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için, sensör ve kabloların yüksek yalıtım direnci, korunmalıdır.
Charge çıkış sensörlerinden gelen sinyali uygun şekilde analiz etmek için, yüksek empedanslı çıkış, düşük empedanslı bir voltaj sinyaline dönüştürülmelidir. Bu doğrudan ölçüm cihazının girişi veya doğrusal voltaj ve charge amplifikatörleri ile yapılabilir. Her durum ayrı ayrı ele alınacaktır.
Voltaj Modu (ve Voltaj Yükseltilmiş) Sistemler
Bazı piezoelektrik sensörler, son derece yüksek dahili kaynak kapasitansı değerleri sergiler ve doğrudan osiloskoplar ve analizörler gibi yüksek empedanslı (> 1 Megohm) ölçüm cihazlarına takılabilir. Düşük dahili kaynak kapasitansına sahip diğerleri, voltaj yükselteci gibi doğrusal sinyal koşullandırmayı gerektirebilir. Bkz.Şekil 1
Voltaj modu sistemlerin içerdiği sensör, kablo ve voltaj amplifikatörün ya da sinyal okuma sisteminin giriş kapasitansı, aşağıda Şekil 2’de gösterilmektedir. Yalıtım direncinin (sinyal ile toprak arasındaki direnç) büyük (> 1012 ohm) olduğu varsayılır ve bu nedenle şematikte gösterilmez.
Charge çıkış sensörünün açık devre voltaj hassasiyeti V1 (psi, lb veya g başına volt), Denklem 1 ile matematiksel olarak temsil edilebilir.
q = Elektriksel yük hassasiyeti, psi,lb ya da g başına pC(piko kolomb)
C1 = Dahili sensör kapasitansı, pF (piko= 1x 10-12, F= farad)
Ölçüm cihazında (veya voltaj yükselticisinin giriş safhasında) ölçülen toplam sistem voltaj hassasiyeti Denklem 2’de gösterilen düşük değerdir.
C2 = kablo kapasitansı, pF
C3 = voltaj yükseltici ya da okuma sisteminin kapasitansı, pF
Elektrostatik yasasına (Denklem 1 ve 2) göre, düşük kapasitansa sahip algılama elemanları yüksek voltaj hassasiyetine sahip olacaktır. Bu, düşük kapasitanslı kuvars sensörlerin neden ağırlıklı olarak voltaj sistemlerinde kullanıldığını açıklar.
Sistem voltaj hassasiyetinin toplam sistem kapasitansına bağımlılığı, sensör çıkış kablosu uzunluğunu ciddi şekilde kısıtlar. Yüksek empedans tipi piezoelektrik sensörlerin voltaj modu hassasiyetinin belirli bir kablo kapasitansı ile neden ölçüldüğünü ve belirtildiğini açıklar. Kablo uzunluğu ve / veya tipi değiştirilirse, sistem yeniden kalibre edilmelidir. Bu formüller ayrıca sensör giriş kablosunu / konektörünü kuru ve temiz tutmanın önemini de gösterir. Toplam kapasitanstaki herhangi bir değişiklik veya kirlenme nedeniyle yalıtım direncindeki kayıp, sistem özelliklerini kökten değiştirebilir. Ayrıca, yüksek empedanslı çıkış sinyali, düşük gürültülü koaksiyel kablo kullanımını zorunlu kılar ve kablo ve konektörleri kapatmak için kapsamlı önlemler alınmadığı sürece, bu tür sistemlerin nemli veya kirli ortamlarda kullanılmasını engeller.
Performans açısından bakıldığında, voltaj modu sistemleri yüksek frekanslarda doğrusal çalışma yeteneğine sahiptir. Bazı sensörler 1 MHz’i aşan frekans sınırlarına sahiptir, bu da mikrosaniye artış süresinin bir kısmıyla şok dalgalarını tespit etmek için yararlı olur. Bununla birlikte, büyük kapasitif kablo yükleri bir filtre görevi görebildiğinden ve bu üst çalışma frekans aralığını azaltabileceğinden dikkatli olunmalıdır.
Ne yazık ki, birçok voltaj amplifikatör sistemde, eşdeğer chargeamplifikatör sistemlerden daha büyük bir mertebe olabilen bir gürültü tabanı (çözünürlük) vardır. Bu nedenle tipik olarak düşük genlikli dinamik ölçümler için yüksek çözünürlüklü ICP® ve / veya charge yükseltilmiş sensörler kullanılır.
Charge Yükseltilmiş Sistemler
Tipik bir charge yükseltilmiş sistem, Şekil 3’te gösterildiği gibidir.
Sensör, kablo ve charge amplifikatörü dahil olmak üzere bir charge yükseltilmiş sistemin şematik bir temsili Şekil 4’te gösterilmektedir. Bir kez daha, yalıtım direncinin (sinyal ve toprak arasındaki direnç) büyük (> 1012 ohm) olduğu varsayılır ve bu nedenle şematikte gösterilmemiştir.
Bu sistemde, çıkış gerilimi, denklem 3’te gösterildiği gibi, sadece giriş yükünün, q, geri besleme kapasitörüne, Cf oranına bağlıdır. Bu nedenle, yüksek yük çıkışı sergileyen yapay polarize polikristailin seramikleri, bu tür sistemlerde kullanılır.
Özellikle saha ortamlarında veya sensör ve amplifikatör arasında uzun kablolar sürerken charge amplifikatör sistemlerinin kullanımı ile ilgili ciddi sınırlamalar vardır. İlk olarak, bir charge amplifikatörünün çıkışındaki elektriksel gürültü, toplam sistem kapasitansının (C1 + C2 + C3) geri besleme kapasitansına (Cf) oranı ile doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle, voltaj modu sistemindeki gibi kablo uzunluğu sınırlandırılmalıdır. İkincisi, sensör çıkış sinyali yüksek empedans tipinde olduğundan, kablo hareketinden (triboelektrik etki) ve aşırı RFI ve EMI’den kaynaklanan gürültüyü azaltmak için özel düşük gürültülü kablolama kullanılmalıdır.
Ayrıca, sinyal kayması olasılığını önlemek için şarj amplifikatörünün girişindeki yalıtım direncinin bozulmasını önlemeye dikkat edilmelidir. Tüm kabloları ve konektörleri korumak için kapsamlı önlemler alınmadığı sürece, genellikle bu tür sistemlerin sert veya kirli ortamlarda kullanılmasını engeller.
Performans karakteristiklerinin birçoğu voltaj modu sistemlerine kıyasla avantajlı olsa da charge güçlendirilmiş enstrümanın kanal başına maliyeti tipik olarak çok yüksektir. Geri besleme kondansatörü bu aralığın üzerinde filtreleme özellikleri sergilediğinden, 50 veya 100 kHz üzerindeki charge amplifikatör sistemlerinin kullanılması da pratik değildir.
ICP® Sensörler
ICP®, PCB’nin dahili mikroelektronik amplifikatörlü piezoelektrik sensörlerini tanımlayan bir terimdir. (ICP®, PCB Group, Inc.’in tescilli ticari markasıdır.) Sabit akım sinyal koşullandırıcılar tarafından güçlendirilen sonuç, Şekil 5’te gösterildiği gibi kullanımı kolay, düşük empedanslı, iki kablolu bir sistemdir.
ICP® sensörleri, kullanım ve uygulama kolaylığına ek olarak, charge çıkış sensörlerine göre birçok avantaj sunar:
1. Kablo uzunluğu veya kapasitanstan bağımsız sabit voltaj hassasiyeti.
2. Düşük çıkış empedansı (<100 Ohm), sinyallerin, sinyal kalitesinde neredeyse hiç kayıp olmadan zorlu ortamlardan uzun kablolar üzerinden iletilmesini sağlar.
3. İki telli sistem standart düşük maliyetli koaksiyel veya diğer iki iletken kabloyu barındırır.
4. Yüksek kalite, gerilim çıkışı standart okuma ile uyumlu, kayıt veya toplama aletleri.
5. Sensör çıkış ön gerilimi izlenerek kendinden sensörlü otomatik test özelliği.
6. Sensörler sadece düşük maliyetli sabit akım sinyal koşullayıcıları gerektirdiğinden kanal başına düşük maliyet.
7. Daha az sistem bakımı.
8. PCB ICP® sensörleri ile kullanım için güç içeren okuma ve veri toplama cihazlarına yön verir.
Şekil 6, tipik kuvars ve seramik ICP® sensörlerinin elektriksel temellerini şematik olarak göstermektedir. Bu sensörler, son derece güvenilir bir entegre devreye bağlanmış temel bir piezoelektrik transdüksiyon mekanizmasından (sensör tipine bağlı olarak kuvvet, basınç ivmesi veya gerilme ile orantılı bir çıkışı olan) oluşur.
ICP® sensörlerinde genellikle iki tip entegre devre kullanılır: voltaj yükselteçleri ve charge yükselteçleri. Düşük kapasitanslı kuvars algılama elemanları çok yüksek bir voltaj çıkışı sergiler (V = q / C’ye göre) ve tipik olarak MOSFET voltaj yükselteçleri ile kullanılır. Çok yüksek bir yük çıkışı sergileyen seramik algılama elemanları normal olarak charge amplifikatörlerine bağlanır.
Önce ICP kuvars algılama teknolojisinin teorisi açıklanacaktır. İşlem, piezoelektrik algılama elemanına etki eden ölçümün, ∆q olarak adlandırılan yük üretmesiyle başlar.Bu yük kristal kapasitansta (C) toplanır ve elektrostatik yasalarına göre bir voltaj oluşturur: ∆V = ∆q / C. Kuvars çok düşük bir kapasitans sergilediğinden, sonuç voltaj yükselteçleri ile kullanım için uygun olan yüksek voltaj çıkışıdır.Amplifikatörün kazancı daha sonra sensör hassasiyetini belirler.
∆V, yaklaşık +10 VDC bias seviyesine eklenen voltaj amplifikatörünün çıkışında hemen görünür. Bu sapma seviyesi sabittir ve amplifikatörün kendisinin elektriksel özelliklerinden kaynaklanır. (Normalde, herhangi bir veri analiz edilmeden önce bias seviyesi harici bir sinyal düzenleyici tarafından kaldırılır. Bu kavram daha sonra tam olarak açıklanacaktır.) Ayrıca, sensörün çıkışındaki empedans seviyesi 100 ohm’dan daha düşüktür. Bu, sinyal kalitesinde neredeyse hiç kayıp olmadan uzun kabloları zorlu ortamlarda sürmeyi kolaylaştırır.
Seramik algılama elemanlarını kullanan ICP® sensörleri genellikle farklı bir şekilde çalışır. Kristalde üretilen voltajı kullanmak yerine seramik ICP® sensörleri charge amplifikatörleri ile çalışır. Bu durumda, seramik kristalinden yüksek yük çıkışı istenen karakteristiktir.
Sensörün elektriksel karakteristikleri daha önce charge modu sistemlerinde açıklananlara benzer, burada voltaj çıkışı sadece kristal tarafından üretilen yükün geri besleme kapasitörünün değerine bölünmesiyle elde edilir. (Amplifikatörün kazancı (mV / pC), sensörün nihai hassasiyetini belirler). Bu durumda, sınırlamaların çoğu ortadan kaldırılmıştır. Yani, tüm yüksek empedanslı devreler sağlam, hermetik bir mahfaza içinde korunur. Kontaminasyon ve düşük gürültülü kablolama ile ilgili endişeler veya sorunlar ortadan kaldırılmıştır.
Entegre devre voltajı ve charge amplifikatörlerinin hızlı bir karşılaştırması aşağıda verilmiştir:
Şekil 6’daki şemada ek bir direnç bulunduğunu unutmayın. Her iki durumda da direnç, RC (direnç-kapasitör) devresinin deşarj süresi sabitini ayarlamak için kullanılır. Bu, “Dönüştürücü Deşarj Süresi Sabiti (DTC)” başlıklı bölümde daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır.
Doğrusal Charge ve Voltaj Amplifikatörleri
Bazı uygulamalar (yüksek sıcaklık testi gibi) entegre devrelerin sensörden çıkarılmasını gerektirebilir. Bu nedenle, çeşitli doğrusal charge amplifikatörleri ve doğrusal voltaj amplifikatörleri mevcuttur. İşlemi, sensörü amplifikatöre bağlayan kablonun yüksek empedanslı bir sinyal taşıması dışında bir ICP® sensörü ile aynıdır. Güvenilir ve tekrarlanabilir verilerin sağlanması için, şarj ve gerilim modu bölümlerinde daha önce tartışılanlar gibi özel önlemler alınmalıdır.
ICP® Sistemleri Besleme
Bir kuvars ICP® sensörü, normal iki iletkenli kablo ve temel sabit akım sinyal koşullayıcı içeren tipik bir algılama sistemi Şekil 7’de gösterilmektedir. Tüm ICP® sensörleri, düzgün çalışma için sabit bir akım güç kaynağına ihtiyaç duyar. İki telli çalışma basitliği ve prensibi açıkça görülebilir.
Sinyal düzenleyici, iyi düzenlenmiş 18 ila 30 VDC kaynağı (batarya veya hatla çalışan), akımı düzenleyen diyot (veya eşdeğer sabit akım devresi) ve bir kapasitörden oluşur. Kapasitör, sinyalin ayrılması (öngerilim voltajının çıkarılması) için gereklidir. Voltmetre (VM) sensör sapma voltajını (normalde 8 ila 14 VDC) izler ve sensör çalışmasını kontrol etmek ve açık veya kısa devre kablolarını ve bağlantılarını tespit etmek için kullanışlıdır.
Akımı düzenleyen diyot, çeşitli nedenlerle bir direnç yerine kullanılır. Diyotun çok yüksek dinamik direnci, birliğe çok yakın ve giriş voltajından bağımsız bir kaynak takip kazancı sağlar. Ayrıca, diyot, uzun kablo uzunluklarını sürmek için daha yüksek akımlar sağlayacak şekilde değiştirilebilir. Şekil 8’de gösterildiği gibi sabit akım diyotları, PCB’nin pille çalışan tüm sinyal şartlandırıcılarında kullanılır. (Diyotun devre içinde doğru yönlendirilmesi, düzgün çalışma için kritiktir.) Özel modeller dışında, standart IC® sensörleri düzgün çalışma için minimum 2 mA gerektirir.
Mevcut teknoloji bu diyot tipini maksimum 4 mA ile sınırlar; bununla birlikte, daha yüksek akım seviyeleri için birkaç diyot paralel olarak yerleştirilebilir. Tüm PCB hatlı sinyal koşullayıcılar, diyotlar yerine daha yüksek kapasiteli (20 mA’ya kadar) sabit akım devreleri kullanır, ancak çalışma prensibi aynıdır.
Veri sinyalinin ayrıştırılması, sinyal düzenleyicinin çıkış aşamasında gerçekleşir. 10 ila 30 µF kapasitör, sensör sapma voltajını esasen ortadan kaldırmak için sinyal seviyesini kaydırır. Sonuç, sapmasız AC çalışma modudur. İsteğe bağlı DC bağlantılı modeller, DC voltaj seviye değiştiricisi kullanarak öngerilim voltajını ortadan kaldırır.
Uyarma Geriliminin ICP Sensörlerin Dinamik Aralığına Etkisi
Tüm standart ICP® sensörleri ve amplifikatörleri için belirtilen uyarma voltajı genellikle 18 ila 30 volt aralığındadır. Bu aralığın etkisi Şekil 9’da gösterilmektedir.
Grafiği açıklamak için aşağıdaki değerler varsayılır:
VB = Sensör Bias voltajı = 10VDC
VS1 = Besleme voltajı 1 = 24VDC
VE1 = Uyarma voltajı 1= VS1 – 1 = 23VDC
VS2 = Besleme voltajı 2 = 18VDC
VE2 = Uyarma voltajı 2 = VS1 – 1 = 17VDC
Maksimum sensör amplifikatörü aralığı = ±10 volt
Doğru akım regülasyonu için akım sınırlayıcı diyot (veya eşdeğer devre) boyunca yaklaşık 1 Voltluk bir düşüşün sürdürülmesi gerektiğini unutmayın. Seri olarak iki 12 VDC pil 24 VDC besleme voltajına sahip olacağından, ancak yalnızca 23 VDC kullanılabilir sensör uyarma seviyesine sahip olacağından bu önemlidir.
Kesintisiz eğri, tipik bir ICP® sensörünün dahili elektroniğine girişi temsil ederken, gölgeli eğriler iki farklı besleme gerilimi için çıkış sinyallerini temsil eder.
Negatif yönde, voltaj salınımı tipik olarak 2 VDC alt limiti ile sınırlıdır. Bu seviyenin altında, çıktı doğrusal değildir (grafik üzerinde doğrusal olmayan kısım 1). Negatif yöndeki çıkış aralığı şu şekilde hesaplanabilir:
Bu, negatif voltaj salınımının sadece sensör bias voltajından etkilendiğini gösterir. Bu durumda negatif voltaj aralığı 8 volttur.
Pozitif yönde, voltaj salınımı uyarma voltajı ile sınırlıdır. Pozitif yöndeki çıkış aralığı şu şekilde hesaplanabilir:
18 VDC besleme gerilimi için bu, 7 voltluk pozitif yönde dinamik bir çıkış aralığına neden olur. Bu noktanın ötesindeki giriş voltajları, gösterildiği gibi kırpılmış bir dalga formuyla sonuçlanır.
24 VDC besleme gerilimi için, pozitif yöndeki teorik çıkış aralığı 13 volttur. Bununla birlikte, ICP® sensörlerindeki mikroelektronikler nadiren bu seviyede doğru sonuçlar sağlayabilir. (Bu örnek için varsayılan maksimum voltaj salınımı 10 volttur.) Çoğu ± 3, ± 5 veya ± 10 volt olarak belirtilmiştir. Belirtilen seviyenin üstünde, amplifikatör doğrusal değildir (grafik üzerinde doğrusal olmayan kısım 2). Bu örnek için, 24 VDC besleme gerilimi kullanılabilir sensör çıkış aralığını + 10 / -8 volta genişletti.
PCB İvmeölçer Polaritesi
Piezoelektrik ivmeölçerlerin sinüzoidal çıktısı, sensör eksenine verilen çift yönlü hareketten kaynaklanan pozitif ve negatif bileşenleri içerir. Anlaşılır olması için, hareket ve elektrik yükü için kurallar belirlenmelidir. Sensörün tabanından sensöre yönlendirilen eksenel hareketin pozitif yönde olduğu kabul edilir. Sensör tabanından uzağa yönlendirilen hareket negatif yön olarak kabul edilir. Bu hareket, piezoelektrik algılama elemanlarını yükleyen ve charge çıkışı olarak bilinen yüksek empedanslı bir elektrik sinyali sağlayan sensörün sismik kütlesine aktarılır.
Charge çıkışı ivmeölçerleri, tipik olarak, ters bir opamp aracılığıyla düşük empedans sinyallerine dönüştürüldükleri için negatif bir çıkışla sonuçlanan pozitif hareket ile bağlantılıdır.Bu kural, aksi belirtilmedikçe charge sensörlerini negatif polarite yapar.
ICP ivmeölçerler, yüksek empedans charge sinyalini, harici charge amplifikatörleri gerektirmeden çoğu modern cihaz tarafından doğrudan kullanılabilen düşük empedanslı bir voltaj sinyaline dönüştürmek için dahili olarak güçlendirilmiş bir mikroelektronik devre içerir. Bu nedenle ICP sensörleri tipik olarak pozitif polaritedir.
Charge amplifikatörleri hakkında not – farklı üreticiler amplifikatör elektroniklerinde hem ters hem de ters çevirmeyen op-ampları kullanmıştır ve hangi tip amplifikatörde hangi sensörle kullandığınızı anlamak önemlidir. , okuma cihazlarına pozitif sinyal veren standart charge sensörleri ile kullanılmak üzere tasarlanmıştır.
Evirici bir tasarımdaki şarj sensörleri, özel pozitif polariteyi belirtmek için bir P – öneki ile etiketlenmiştir. Belirli bir modelin P seçeneği olup olmadığını doğrulamak için ivmeölçer veri sayfasına bakın ve belirli sensörün model numarasında P-önekini onaylayın.
İvmeölçer çıkışı bir osiloskop kullanılarak (muhtemelen nispeten uzun zaman sabitleri olan sensörler için bir volt metre kullanılarak) doğrulanabilir, sensörü avucunuzun içinde tutun ve ivmeölçerin tabanına hafifçe dokunun (pozitif giriş). Benzer şekilde, ICP® sensörlerinin polaritesi, iğnenin pozitif polariteyi gösteren sağa ve negatif polariteyi gösteren sola hareket edeceği bir PCB pille çalışan sinyal koşullandırıcı kullanılarak doğrulanabilir.
Tüm bunlar, her bir eksen için hangi yönün pozitif olduğunu (x, y, z) detaylandıran her bir sensöre kazınmış semboller de alan üç eksenli sensörler için geçerlidir.Özel polariteyi bilmenin daha büyük bir etkiye sahip olduğu özel uygulamalar vardır – ağırlıklı olarak çoklu modal analiz gibi birden fazla konumdaki sensörler veya girişler. Yanlış polarite, yön veya tutarsız işaret kuralları yanlış sonuçlara yol açacaktır.
Çalışma Prensibi
PCB® sinyal koşullandırıcı kullanılıyorsa, gücü açın ve ön paneldeki voltmetreye (veya LED’lere) bakın.
Tipik göstergeler Şekil 10’da gösterildiği gibi işaretlenmiştir. Yeşil alan (veya LED), ICP® sensörü ve doğru kablo bağlantıları için uygun sapma aralığını gösterir. Kırmızı renk sensör, kablo veya bağlantılarda kısa devre durumu gösterir. Sarı, uyarma voltajının izlendiği anlamına gelir ve açık devrenin bir göstergesidir.
Görünür Çıkış Sapması (AC coupled)
AC-bağlantılı sinyal koşullayıcılar, dahili coupling kapasitörlerini şarj etmek için yeterli zaman gerektirir. Bu kondansatör, okuma cihazının giriş direnci üzerinden şarj edilmelidir ve bir DC okuma kullanılırsa, şarj tamamlanıncaya kadar çıkış voltajı yavaşça kayıyor gibi görünecektir. Bir megohm okuma cihazı, şarjı temel olarak tamamlamak için 5 × 1 meg × 10 µF veya 50 saniye gerektirir. (Beş deşarj süresi sabitinden sonra kararlı çalıştığını varsayar: 5 × Direnç × Kapasitans. Bkz. Dönüştürücü Deşarj Süresi Sabit Bölümü)
ICP Sensörlerin Yüksek Frekans Tepkisi
ICP sensör sistemleri ilgilenilen sinyali ideal ve orantılı şekilde işler.Bununla birlikte, ölçümün frekansı arttıkça, sistem doğrusal olmayacaktır. Bunun nedeni aşağıdaki faktörlerdir:
1. Mekanik Hususlar
2. Amplifikatör / Güç Kaynağı Sınırlamaları
3. Kablo Özellikleri
Yüksek frekanslı ölçümler yapmaya çalışırken bu faktörlerin her biri dikkate alınmalıdır.
Mekanik Hususlar
Sensör içindeki mekanik yapı çoğunlukla algılama sistemlerine yüksek bir frekans sınırı uygular. Yani, sensörün doğal frekansına yaklaşıldıkça hassasiyet hızla artmaya başlar.
w: Doğal Frekans
k: Algılama Elmanının Katılığı
m: Sismik Kütle
Bu denklem daha büyük veya daha ağır sensörlerin genel olarak neden daha düşük rezonans frekansına sahip olduğunu açıklamaya yardımcı olur.
Aşağıdaki Şekil 11, tipik bir ICP® ivmeölçer için bir frekans cevap eğrisini temsil eder.
Frekans arttıkça hassasiyetin arttığı görülebilir. Çoğu uygulama için, bu sensörün hassasiyetin ±%5’ten az saptığı bir aralıkta kullanılması genellikle kabul edilebilir. Bu üst frekans limiti, rezonans frekansının yaklaşık %20’sinde meydana gelir. Basınç ve kuvvet sensörleri benzer şekilde tepki verir.
Montaj, aynı zamanda doğru yüksek frekanslı ölçümlerin elde edilmesinde de önemli bir rol oynar. Doğru montaj için kurulum prosedürlerine bakabilirsiniz.
Amplifikatör / Güç Kaynağı Sınırlamaları
Aşırı yüksek frekanslarda (> 100 kHz) test ederken, algılama sisteminin türü önem kazanır. Genel olarak, voltaj amplifikatör sistemleri frekanslara 1 MHz düzeyinde yanıt verirken, çoğu charge amplifikatör sistemler sadece 100 kHz’e yanıt verebilir. Bu tipik olarak amplifikatör tipinin sınırlamaları ve kapasitif filtreleme etkilerinden kaynaklanır. Bu gibi durumlarda, ekipman teknik özelliklerine bakın.
Kablo Tavsiyeleri ve Sabit Akım Seviyesi
Uzun kablolar üzerinden çalıştırma, kablo kapasitesini artırmak için yeterli akım olmadığında frekans tepkisini etkileyebilir ve gürültü ve bozulmaya neden olabilir.
Sistem gürültüsünün kablo uzunluğunun bir fonksiyonu olduğu charge tipi sistemlerinden farklı olarak, ICP® sensörleri uzun kabloları zorlu ortamlarda sürmek için çok uygun olan yüksek voltajlı, düşük empedanslı bir çıkış sağlar. ICP® sensörleri ile gürültüde neredeyse hiç artış olmamakla birlikte, kablonun kapasitif yüklenmesi, besleme akımına ve sensörün çıkış empedansına bağlı olarak daha yüksek frekans sinyallerini bozabilir veya filtreleyebilir.
Genel olarak, bu sinyal bozulması 10 kHz’e kadar daha düşük frekans testlerinde sorun yaratmaz. Bununla birlikte, 100 ft’den (30 m) daha uzun kablolar üzerinde daha yüksek frekanslı titreşim, şok, patlama veya geçici testler için sinyal bozulması olasılığı mevcuttur.
Belirli bir kablo uzunluğu boyunca iletilebilen maksimum frekans, hem kablo kapasitansının hem de pik sinyal voltajının sinyal koşullandırıcıdan elde edilen akıma oranının bir fonksiyonudur:
Fmax : Maksimum frekans (hertz)
C: Kablo kapasitansı (picofarad)
V: Sensör maksimum çıkış tepe değeri (volt)
Ic = Sinyal şartlandırıcıdan gelen sabit akım (mA)
109: Birimleri eşitlemek için yükseltme çarpanı
Bu denklemde, 1 mA’nın sensöre (Ic) sağlanan toplam akımdan çıkarıldığına dikkat edin. Bu, dahili elektroniklere güç sağlamayı telafi etmek için yapılır. Bazı özel sensör elektronikleri az ya da çok akım tüketebilir. Doğru besleme akımını belirlemek için üreticiye başvurun.
Denklem 7, uzun kabloları sürerken kablo uzunluğu, tepe voltaj çıkışı veya maksimum ilgi frekansı arttıkça, sinyali sürmek için daha büyük bir sabit akımın gerekli olacağını gösterir.
Aşağıdaki nomograf (Şekil 12), bir ICP® ölçüm sisteminin beklenen maksimum frekans kapasitesini elde etmek için basit ve grafiksel bir yöntem sunmaktadır.
Örneğin, 30 pF / ft kapasiteye sahip 100 ft (30,5 m.) bir kablo çalıştırırken, toplam kapasitans 3000 pF’dir. Bu değer çapraz kablo kapasitans hatları boyunca bulunabilir. Sensörün maksimum 5 volt çıkış aralığında çalıştığı ve sabit akım sinyal düzenleyicisinin 2 mA olarak ayarlandığı varsayıldığında, dikey eksen üzerindeki oran 5 olarak hesaplanabilir. Toplam kablo kapasitansının kesişimi ve bu oran yaklaşık 10,2 kHz maksimum frekansa denk gelir.
Nomograf, bir noktadaki frekans genlik tepkisinin düz, yükselen veya düşen olup olmadığını göstermez. Önlem nedeniyle, nomograftan belirlenen frekans, maksimum ilgi frekansından yaklaşık 1.5 ila 2 kat daha fazla olacak şekilde sensöre giden sabit akımı (mümkünse) arttırmak iyi bir genel uygulamadır.
Daha yüksek akım seviyelerinin pille çalışan sinyal koşullayıcıları daha hızlı tüketeceğini unutmayın. Ayrıca, kablo tarafından kullanılmayan herhangi bir akım doğrudan dahili elektronik parçalara güç verir ve ısı oluşturur. Bu, sensörün maksimum sıcaklık özelliklerini aşmasına neden olabilir. Bu nedenle, kısa kablo geçişleri sırasında veya yüksek sıcaklıklarda test yaparken aşırı akım vermeyin.
Uzun Kablolar ile Deneysel Test
Uzun kablo geçişleri ile ilgili yüksek frekanslı elektriksel karakteristikleri belirlemek için iki yöntem kullanılabilir.
Şekil 13’te gösterilen ilk yöntem, standart bir sinyal üretecinden çıkışın ICP® sensörü ile seri olarak teklik kazancı, düşük çıkış empedansı (<5 ohm) enstrümantasyon amplifikatörüne bağlanmasını içerir. Sinyal üreteci ve amplifikatör sistemden çıkarıldığında direnç değişikliğini en aza indirmek için son derece düşük çıkış empedansı gereklidir. Şekil 13’te de gösterilen alternatif test yöntemi, uygun şekilde bir araya getirilmiş bir sinyal üreteci ve sensör elektroniği içeren bir sensör simülatörü içerir.
Bu sistemlerden herhangi biriyle frekans / genlik tepkisini kontrol etmek için, sinyal üretecini beklenen ölçüm sinyalinin maksimum genliğini sağlayacak şekilde ayarlayın. Jeneratörün genlikte kapsamda gösterilen genliğe oranını gözlemleyin. Bu oran 1: 1 ise, sistem testiniz için yeterlidir. (Gerekirse, sinyal düzenleyicide veya kapsamda herhangi bir kazancı hesaba kattığınızdan emin olun.) Çıkış sinyali yükseliyorsa (örn. 1: 1.3), sinyali zayıflatmak için seri direnç ekleyin. Değişken 100 ohm’luk bir direncin kullanılması, doğru direncin daha rahat ayarlanmasına yardımcı olacaktır. Direnç eklenmesini gerektiren tek koşulun bu olduğuna dikkat edin. Sinyal düşüyorsa (örn. 1: 0,75), sabit akım seviyesi artırılmalı veya kablo kapasitansı azaltılmalıdır.
Veri toplama sırasında karşılaşılan gerçek durumları yansıtmak için kablo testi sırasında kablonun fiziksel olarak kurulması gerekebilir. Bu, kısmen kablo yolunun geometrisinin bir fonksiyonu olan potansiyel endüktif kablo etkilerini telafi edecektir.
ICP Sensörlerin Düşük Frekans Tepkisi
ICP® sensörleri ile, düşük frekanslı bilgi elde ederken dikkate alınması gereken iki faktör vardır. Bunlar:
1. Bir sensörün deşarj süresi sabit karakteristiği (DTC- Discharge Time Constant) (her sensöre özgü sabit bir değer).
2. Sinyal düzenleyicide kullanılan kaplin devresinin zaman sabiti. (DC kaplin kullanılıyorsa, sadece # 1 dikkate alınmalıdır).
Potansiyel problemlerden kaçınmak için her iki faktörün de kullanıcı tarafından kolayca anlaşılması önemlidir.
Algılayıcı Deşarj Süresi Sabiti (Discharge Time Constant- DTC)
Deşarj süresi sabiti, düşük frekans sınırlarında daha önemlidir, çünkü kullanıcının üzerinde kontrolü yoktur.
Daha önce Şekil 6’da gösterilen ICP® sensörlerini göz önünde bulundurun. Algılama elemanı, çeşitli basınç, kuvvet ve hızlanma sensör tipleri (ve aralıkları) için fiziksel konfigürasyonda büyük ölçüde değişmekle birlikte, temel çalışma teorisi hepsi için benzerdir. Algılama elemanı, t = ..’e kadar ölçülen bir adım fonksiyonu (basınç, kuvvet veya hızlanma) ile hareket ettiğinde, bu mekanik girişle doğrusal olarak orantılı bir miktar yük, ∆q üretir.
Kuvars ICP® sensörlerinde, bu yük, algılama elemanının kapasitansının yanı sıra amplifikatör giriş kapasitansı, değişen kapasitör ve herhangi bir ilave kaçak kapasitansı içeren toplam kapasitans, Ctoplam ‘da birikir. (Not: Voltaj hassasiyetini azaltmak için dirençle paralel olacak bir kapasitör kullanılır ve gösterilmez.) Sonuç, elektrostatik yasalarına göre bir voltajdır: ∆V = ∆q / Ctoplam. Bu voltaj daha sonra sensörün nihai hassasiyetini belirlemek için bir MOSFET voltaj amplifikatörü tarafından güçlendirilir. Bu denklemden, kapasitans ne kadar küçük olursa, voltaj hassasiyeti de o kadar büyük olur. Bu doğru olmakla birlikte, daha düşük bir kapasitansın sinyal / gürültü oranını (SNR) önemli ölçüde artırmayacağı pratik bir sınır vardır.
Seramik ICP® sensörlerinde, kristalden gelen yük tipik olarak doğrudan entegre bir charge amplifikatörü tarafından kullanılır. Bu durumda, sadece geri besleme kondansatörü (amplifikatörün giriş ve çıkışı arasında bulunur) voltaj çıkışını ve dolayısıyla sensörün hassasiyetini belirler.
Kuvars ve seramik sensörler için çalışma prensibi biraz farklı olsa da, şemalar (Şekil 6) her iki sensör tipinin de esasen direnç-kapasitör (RC) devreleri olduğunu göstermektedir.
Bir step girişinden sonra, yük hemen direnç (R) ile dağılmaya başlar ve denklemin temel RC deşarj eğrisini takip eder:
q: Anlık yük (pC)
Q: Başlangıç yük sayısı(pC)
R: Bias direnç değeri
C: Toplam kapasitans
t: t0’dan sonraki herhangi zaman
e: Doğal logaritma tabanı (2.718)
Bu denklem grafik olarak Şekil 14’te gösterilmektedir. Bir ICP® sensöründen gelen çıkış voltaj sinyalinin aşağıda gösterildiği gibi sıfır temelli olmayacağını, daha ziyade 8 ila 10 VDC amplifikatör sapmasını temel alacağını unutmayın.
R çarpı C’nin sonucu sensörün deşarj süresi sabitidir (DTC) (saniye cinsinden) ve her ICP® sensörü ile birlikte verilen kalibrasyon bilgisinde belirtilir. Kapasitans kazancı sabitlediğinden ve belirli bir sensör için sabit olduğundan, zaman sabitini ayarlamak için direnç kullanılır. Deşarj süresi sabiti için tipik değerler bir saniyeden 2000 saniyeye kadardır.
Düşük Frekans Tepkisinde DTC’nin Etkisi
Bir ICP® sensörünün deşarj süresi sabiti, Şekil 15A’da gösterildiği gibi birinci dereceden, yüksek geçişli, RC filtresinin hareketine benzer düşük frekanslı tepki oluşturur. Şekil 15B, düşük frekanslı tepkinin bir Bode grafiğidir.
Bu filtreleme özelliği, iletim mekanizması üzerindeki termal etkilerden kaynaklanan düşük frekanslı sinyallerin boşaltılması için yararlıdır. Geçmesine izin verilirse, sapmaya neden olabilir veya ciddi durumlarda amplifikatörü doygun hale getirebilir.
Frekansın teorik alt yapısı, DTC’nin sensör deşarj süresi sabitine eşit olduğu aşağıdaki ilişkiler tarafından belirlenir. Bkz. Tablo 1
DTC’nin Uzun Süreli Zaman Dalgalarına Etkisi
Çoğu zaman, özellikle basınç ve kuvvet sensörlerini statik olarak kalibre ederken, sensör zaman sabitinin yüzde birkaçını oluşturan çeşitli ölçülerdeki adım fonksiyonlarının veya kare dalgalarının ölçülmesi arzu edilir.
Bu tür ölçümler için önemli bir kılavuz aşağıdadır: kaybedilen çıkış sinyali miktarı ve DTC’nin bir yüzdesi olarak geçen süre, DTC’nin yaklaşık % 10’una kadar bire bir haberleşmeye sahiptir. Şekil 16, kare dalga girişi ile çıkış voltajına karşı süreyi göstermektedir. (Doğru okumalar için, DC bağlantılı sinyal düzenleyiciyi ve okuma cihazını birleştirir.)
T = t0 zamanında sensöre bir adım ölçüsü (psi veya lb.) uygulanır ve DTC’nin % 1’i boyunca kalmasına izin verilir, bu sırada aniden çıkarılır. Bu girişe karşılık gelen çıkış gerilimi değişimi ∆V, sensör sapma gerilimine derhal eklenir ve t> t0’da deşarj olmaya başlar. T = t0 + (0,01 DTC) olduğunda, sinyal seviyesi ∆V % 1 azalmıştır. Bu ilişki DTC’nin sadece yaklaşık % 10’una doğrusaldır. (yani, ölçülen t = 0.1 DTC’de çıkarılırsa, çıkış sinyali signal V’nin yaklaşık % 10’u kadar deşarj olacaktır.)
1 DTC’den sonra sinyalin % 63’ü deşarj olacaktır. 5 DTC’den sonra, çıkış sinyali büyük ölçüde deşarj edilmiştir ve sadece sensör bias voltaj seviyesi kalır.
Ölçülen ve çıkartıldığında, çıkış sinyali deşarj olduğu miktar ile sensör sapma voltajının altına düşecektir. Ardından, sabit bir duruma ulaşana kadar sensör bias voltaj seviyesine yönüne şarj olur.
Minimum % 1 ölçüm doğruluğu için, deşarj süresi sabiti, kare dalga olayının süresinin en az 100 katı, yarım rampa süresinin 50 katı ve yarım sinüs darbesinin süresinin 25 katı olmalıdır. Daha uzun süre sabitleri ölçüm doğruluğunu artıracaktır.
Kaplinin Düşük Frekans Yanıta Etkisi
Daha önce belirtildiği gibi, sabit akım sinyal koşullayıcı (Şekil 5’te gösterilen) DC-bağlıysa, sistemin düşük frekans tepkisi sadece sensör DTC’si tarafından belirlenir. Bununla birlikte, birçok sinyal koşullandırıcı AC-bağlı olduğundan, toplam kaplin DTC’si düşük frekanslı ölçümler için sınırlayıcı faktör olabilir.
Örneğin, Şekil 7, 10 uF’lik bir kaplin kondansatörü (birçok sabit akım sinyal koşullandırıcısına yerleştirilmiş) aracılığıyla tipik AC kaplini gösterir. Okuma cihazında (gösterilmemiştir) 1 megohm giriş empedansı varsayarsak, bağlanma süresi sabiti R çarpı C’ye eşittir. veya 10 saniye. (Bu aynı zamanda sensör çıkış empedansının <100 ohm olduğunu varsayar.) Genel bir kural olarak, bağlantı süresini sensör zaman sabitinden en az 10 kat daha büyük tutun.
Düşük frekanslı ölçümler alırken, düşük giriş empedanslı kaset kaydediciler ve diğer enstrümanlar kaplin zaman sabitini önemli ölçüde azaltacaktır. Bu gibi durumlarda, DC kaplini veya tamponlu bir çıkış içeren bir sinyal koşullandırıcı kullanın.
De-coupling (Ayırma) Yöntemleri
Sensör DTC’sinden tam olarak yararlanmak için, özellikle statik kalibrasyon sırasında, çıkış sinyalini DC ile bağlamak gereklidir. En basit yöntem, DC kaplin anahtarı içeren bir sinyal koşullandırıcı kullanmaktır. Bununla birlikte, standart sinyal koşullandırıcılar, Şekil 17’deki gibi bir “T” konektörü kullanılarak DC-kaplin için de uyarlanabilir.
Akılda tutulması gereken önemli bir nokta, ölçüm cihazının sensör sapma voltajını çıkarmak için sıfır ofset özelliğine sahip olmasıdır. Ölçüm, ön gerilimin tamamını veya bir kısmını kaldıramazsa, bu görevi gerçekleştirmek için akımla sınırlı bir “bucking” pili veya sinyale göre yerleştirilmiş değişken DC güç kaynağı kullanılabilir. Sensörün yerleşik devresinde potansiyel hasarı önlemek için herhangi bir karşıt voltajın akımla sınırlı olması zorunludur.
Kolaylık için, PCB tarafından üretilen birkaç sabit akım sinyal koşullandırıcı, sıfır volt çıkış sapması ile DC bağlantısına izin vermek için seviye kaydırma devreleri içerir. Bu ünitelerin çoğunda sapmasız dinamik çalışma için bir AC bağlantı modu bulunur.
Uyarılar
ICP® sensörlerinde hasar veya arıza riskini azaltmak için aşağıdaki önlemler alınmalıdır:
1. ICP® sensörlerine veya hat içi amplifikatörlere 20 mA’dan fazla sabit akım uygulamayın.
2. 30 VDC besleme voltajını aşmayın.
3. Sabit akım koruması olmadan voltaj uygulamayın. ICP® sensörlerinin düzgün çalışması için sabit akım gereklidir.
4. Standart ICP® sensörlerini 121 ° C’nin (250 ° F) üzerindeki sıcaklıklara maruz bırakmayın.
5. Çoğu ICP® sensörünün tamamı kaynaklı hermetik bir gövdesi vardır. Bununla birlikte, belirli tasarım parametreleri nedeniyle, bazı modeller epoksi contalıdır. Bu gibi durumlarda, yüksek nem veya nemli ortamlar dahili elektronik aksamı kirletebilir. Bu gibi durumlarda, kirleticileri buharlaştırmak için sensörleri 121 ° C’de bir veya iki saat pişirin.
6. Birçok ICP® sensörü darbeye karşı korumalı değildir. Bu nedenle, yüksek mekanik şoklar nedeniyle amplifikatörün hasar görmemesine dikkat edilmelidir. Teknik özellik sayfasında belirtilen maksimum şok sınırını aşmamak için bu tür sensörleri dikkatli kullanın.
Uygulama hakkında sorularınız için DTA Mühendislik Test Bölümü mühendisleriyle iletişime geçebilirsiniz.
