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ICP传统的电荷输出传感器工作原理

发布时间:2019/10/18 8:34:56浏览:711次

历史上,几乎所有动态测量应用都使用压电电荷输出传感器。这些传感器仅包含压电传感元件(没有内置电子元件),并具有高阻抗输出信号。电荷输出传感器的主要优点是它们能够在高温环境下工作。某些传感器能够承受超过+1000ºF(+538ºC)的温度。然而,压电传感晶体产生的输出对各种环境因素的腐蚀极为敏感。必须使用低噪声布线来降低射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)。使用绑带或胶带可减少摩擦电(运动引起的)噪声。

  为了正确分析来自电荷输出传感器的信号,通常必须将高阻抗输出转换为低阻抗电压信号。这可以通过读出设备的输入或通过串联电压和电荷放大器直接完成。每个案例将单独考虑。

  电压模式(和电压放大)系统

  某些压电传感器具有极高的内部源电容值,可直接插入高阻抗(> 1兆欧)读出设备,如示波器和分析仪。具有低内部源电容的其他元件可能需要在线信号调节,例如电压放大器。见图1。

  

 

  图1:典型电压模式系统

  这些电压模式系统的示意图包括传感器,电缆和电压放大器或读出设备的输入电容,如图2所示。绝缘电阻(信号和地之间的电阻)假设很大(> 10 12欧姆)和因此未在原理图中示出。

  

 

  图2:电压模式系统原理图

  电荷输出传感器的开路(例如,电缆断开)电压灵敏度V1(伏特每psi,lb或g)可以通过等式1在数学上表示

  .V 1 = q / C 1(等式1)

  其中:q =基本电荷灵敏度,单位为pC / psi,lb或g

  C 1 =内部传感器(晶体)电容,单位为pF

  (p = pico = 1 x 10 -12 ; F =法拉)

  在读数仪器(或输入级)测量的整个系统电压灵敏度电压放大器)是公式2中所示的减小值

  .V 2 = q /(C 1 + C 2 + C 3)(公式2)

  其中:C2 = pF中的电缆电容

  C 3 =电压放大器或读出仪器的输入电容,单位为pF

  根据静电定律(公式1和2),具有低电容的传感元件将具有高电压灵敏度。这就解释了为什么低电容石英传感器主要用于电压系统。

  系统电压灵敏度对总系统电容的这种依赖性严重限制了传感器输出电缆的长度。它解释了为什么高阻抗型压电传感器的电压模式灵敏度是用给定的电缆电容测量和指定的。如果更改了电缆长度和/或类型,则必须重新校准系统。这些公式还显示了保持传感器输入电缆/连接器干燥和清洁的重要性。由于污染导致的总电容或绝缘电阻损失的任何变化都可以从根本上改变系统特性。此外,高阻抗输出信号强制要求使用低噪声同轴电缆,并且除非采取大量措施来密封电缆和连接器,否则不能在潮湿或肮脏的环境中使用这种系统。

  从性能方面来看,电压模式系统能够在高频下进行线性操作。某些传感器的频率限制超过1 MHz,因此可用于检测上升时间仅为几微秒的冲击波。但是,必须小心,因为大的电容电缆负载可能充当滤波器并降低该较高的工作频率范围。

  不幸的是,许多电压放大系统的噪声基底(分辨率)可能比等效电荷放大系统高一个数量级。因此,高分辨率ICP®和/或电荷放大传感器通常用于低幅度动态测量。

 

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