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ICP振动传感器高频率相应工作原理

来源:PCB 发布时间:2018-09-05热度:

  ICP®传感器系统理想地按比例处理感兴趣的信号。然而,随着被测量的频率增加,系统***终变为非线性。这是由于以下因素:

  1、机械考虑因素

  2、放大器/电源限制

  3、电缆特性

  在尝试进行高频测量时,必须考虑这些因素。

  机械考虑因素

  传感器内的机械结构通常对传感系统施加高频限制。也就是说,随着接近传感器的固有频率,灵敏度开始迅速上升。

  w =√(k / m)(等式6)

  其中:

  w =固有频率

  k =传感元件的刚度

  m =地震质量

  该等式有助于解释为什么较大或较大质量的传感器通常具有较低的共振频率。

  下面的图11表示典型ICP®加速度计的频率响应曲线。

  

 

  图11:ICP®加速度计的频率谐振

  可以看出,灵敏度随着频率的增加而增加。对于大多数应用,通常可以在灵敏度偏差小于±5%的范围内使用该传感器。该频率上限发生在谐振频率的大约20%处。压力和力传感器以类似的方式响应。

  安装在获得精确的高频测量中也起着重要作用。请务必参考正确安装的安装程序。

  放大器/电源限制

  在极高频率(> 100 kHz)下进行测试时,传感系统的类型变得非常重要。通常,电压放大系统响应大约1MHz的频率,而大多数电荷放大系统仅响应100kHz。这通常是由于放大器类型的限制以及电容滤波效应。对于这种情况,请查阅设备规格,或致电PCB寻求帮助。

  电缆考虑因素和恒定电流水平

  当电流不足以驱动电缆电容时,长电缆上的操作可能会影响频率响应并引入噪声和失真。

  与充电模式系统不同,系统噪声是电缆长度的函数,ICP®传感器提供高压,低阻抗输出,非常适合在恶劣环境中驱动长电缆。虽然ICP®传感器的噪声几乎没有增加,但电缆的容性负载可能会使高频信号失真或滤波,具体取决于传感器的电源电流和输出阻抗。

  通常,这种信号失真不是低频测试高达10 kHz的问题。但是,对于长度超过100英尺(30米)的电缆进行更高频率的振动,冲击,爆炸或瞬态测试,存在信号失真的可能性。

  在给定电缆长度上可以传输的***大频率是电缆电容和峰值信号电压与信号调节器可用电流之比的函数,具体如下:

  

 

  其中,F max =***大频率(赫兹)

  C =电缆电容(皮法)

  V =传感器的***大峰值输出(伏特)

  I c =来自信号调节器的恒定电流(mA)

  10 9 =等于单位的比例系数

  注意,在此等式,从提供给传感器(lc)的总电流中减去1mA。这样做是为了补偿内部电子设备的供电。某些特种传感器电子元件可能消耗更多或更少的电 联系制造商以确定正确的电源电流。

  当驱动长电缆时,公式7表明,随着电缆长度,峰值电压输出或***大感兴趣频率的增加,驱动信号需要更大的恒定电流。

  下面的诺模图(图12)提供了一种简单的图形方法,用于获得ICP®测量系统的预期***大频率能力。

  

 

  图12:电缆驱动的Nomograph

  例如,当运行电容为30 pF / ft的100英尺(30.5米)电缆时,总电容为3000 pF。该值可以沿对角电缆电容线找到。假设传感器工作在5伏的***大输出范围并且恒流信号调节器设置为2毫安,则垂直轴上的比率可以计算为等于5.总电缆电容与该比率的交点导致***大频率约为10.2 kHz。

  诺模图不表示某点的频率幅度响应是平坦的,上升的还是下降的。出于预防原因,通常的做法是增加传感器的恒定电流(如果可能)(在其***大限度内),以便从诺模图确定的频率比感兴趣的***大频率大约1.5至2倍。

  请注意,较高的电流水平将以更快的速率耗尽电池供电的信号调节器。此外,电缆未使用的任何电流直接为内部电子设备供电并产生热量。这可能导致传感器超过其***高温度规格。因此,请勿在短电缆运行或高温测试时提供过大电流。

  实验测试长电缆

  为了确定长电缆运行所涉及的高频电特性,可以使用两种方法。

  图13所示的***种方法涉及将标准信号发生器的输出连接到与ICP®传感器串联的单位增益,低输出阻抗(<5 ohm)仪表放大器。当信号发生器和放大器从系统中移除时,需要极低的输出阻抗来***小化电阻变化。另一种测试方法,如图13所示,包含一个传感器模拟器,它包含一个方便地封装在一起的信号发生器和传感器电子器件。

  

 

  图13:测试长电缆

  为了检查这些系统中的任何一个的频率/幅度响应,设置信号发生器以提供预期测量信号的***大幅度。观察发生器的振幅与示波器上显示的振幅之比。如果此比率为1:1,则系统足以进行测试。(如有必要,请务必考虑信号调理器或示波器中的任何增益。)如果输出信号上升(例如,1:1.3),则添加串联电阻以衰减信号。使用可变的100欧姆电阻将有助于更方便地设置正确的电阻。请注意,这是***需要添加电阻的条件。如果信号下降(例如,1:0.75),则必须增加恒定电流水平或减小电缆电容。

  在电缆测试期间可能需要物理安装电缆以反映数据采集期间遇到的实际情况。这将补偿潜在的感应电缆效应,其部分地取决于电缆路径的几何形状。

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