Integrated electronics piezoelectric의 약자인 IEPE는 압전 센서를 내장 전자 장치가 없는 센서와 구별하는 데 사용됩니다. IEPE 센서의 출력은 저임피던스 전압 신호인 반면, 전자 장치가 내장되어 있지 않은 압전 센서는 전하 출력만 생성할 수 있습니다. IEPE 센서에 사용되는 증폭기는 전압 증폭기 또는 전하 증폭기일 수 있습니다.
전압 증폭기가 있는 IEPE를 지칭하기 위해 "전압 모드 IEPE"라는 용어를 사용하고 내부 전하 증폭기가 있는 IEPE 센서를 지칭하기 위해 "충전 모드 IEPE"라는 용어를 사용합니다. 또한 "충전 출력 센서"라는 용어를 사용하여 내부 증폭기가 없는 압전 센서를 지칭합니다.
1. 압전 가속도계 구성
압전 가속도계의 능동 소자는 압전 세라믹입니다. 세라믹의 한쪽은 가속도계 본체에 단단히 연결되어 있고 다른 쪽에는 지진 질량이 추가되었습니다. 가속도계가 진동을 받으면 압전 소자와 지진 질량에 작용하는 힘이 생성됩니다. 압전 효과로 인해 적용된 힘에 비례하는 전하 출력이 이 진동 또는 충격에서 생성됩니다. 넓은 주파수 범위에서 센서 질량과 센서 베이스는 동일한 가속도 크기를 가지므로 센서는 가속도계 본체의 가속도를 측정합니다.
센서 구성에는 전단 모드, 압축 및 벤더의 3가지 주요 구성이 있습니다.
1) 전단 모드
피에조 웨이퍼는 가속도로부터 전단 변형을 겪도록 구성됩니다(즉, 피에조 웨이퍼는 베이스에 수직이다). 이것은 피에조 웨이퍼가 베이스에서 분리되어 온도 민감도와 베이스 변형에 대한 민감도를 줄이는 데 도움이 되기 때문에 가장 널리 사용되는 구성이 되었습니다. 그러나 이 구성은 일반적으로 감도 대 질량 비율이 상대적으로 낮기 때문에 전하 증폭기가 필요합니다.
2) 압축 모드
압전이 압축되면 위의 바닥과 지진 질량과 직접 일치합니다. 이것은 적당히 높은 감도 대 질량 비율을 제공하지만 이로 인해 압전 소자와 베이스 사이에 스프링 질량 시스템이 효과적으로 생성됩니다. 이로 인해 베이스 굽힘 또는 열팽창으로 인해 잘못된 결과가 쉽게 발생할 수 있습니다. 따라서 이 구성은 견고성 때문에 고충격 응용 분야를 제외하고는 거의 사용되지 않습니다.
3) 압전 벤더
개념화하기 가장 쉬운 구성은 팁 질량이 있는 캔틸레버 빔 역할을 하는 압전 요소를 사용하는 것입니다. 이것은 최고의 감도 대 질량 비율을 생성하므로 이러한 유형의 가속도계는 전력을 필요로 하지 않습니다. 그러나 이 구성은 또한 가장 높은 온도 감도를 나타내고, 상대적으로 깨지기 쉬우며, 일반적으로 더 낮은 공진 주파수를 가지므로 더 낮은 대역폭을 갖습니다. 따라서 지금은 정확한 테스트에 거의 사용되지 않지만 주 감지 시스템을 깨우기 위한 전원이 공급되지 않는 센서로서 큰 이점을 제공합니다.
2. IEPE 가속도계의 전압 모드 이해
먼저 그림 4에 나와 있는 전압 모드 IEPE 센서의 기본 다이어그램입니다.
1) 감지 요소
석영 및 압전 세라믹 크리스털은 모두 전압 모드 IEPE에서 사용할 수 있지만, 석영 감지 소자는 정전 용량이 더 낮고 주어진 전하량에 대해 더 큰 전압을 생성하기 때문에 전압 모드 신호 조정에 더 적합합니다(V = q/C에 따름).
석영은 천연 결정인 반면 세라믹은 인공입니다. 세라믹에는 고전압 감도와 높은 전하 감도 유형이 있습니다. 전압 감도가 높은 압전 세라믹은 전압 모드 IEPE 센서에도 사용할 수 있습니다.
2) 증폭기 구성
그림 4에서 볼 수 있듯이 증폭기의 첫 번째 단계에는 전계 효과 트랜지스터(FET)가 통합되어 증폭기의 입력 저항을 최대화하고 센서에서 생성된 전하에 대한 누설 경로가 생성되지 않습니다. 출력 단계에서 증폭기는 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 라인 구동 기능을 향상시킵니다. 위의 그림에서 증폭기는 단위 이득 소스 팔로워 구성입니다.
트랜지스터의 소스 단자와 회로 접지 단자는 센서 하우징에서 꺼내져 동축 케이블을 통해 전원 장치에 연결됩니다. IEPE 센서의 전원 장치는 다른 기사에서 살펴볼 것입니다.
감지 소자(ΔV)에 축적되는 전압은 다음과 같이 주어집니다.
여기서 Δq는 생성된 전하를 나타내고 Ctotao FET 트랜지스터의 게이트에서 총 커패시턴스입니다. DC 전압 위에 있는 동일한 전압 변화(ΔV)는 단위 이득 증폭기의 출력에서도 나타난다. 여기가 없는 출력의 DC 값은 일반적으로 8V에서 12V 범위입니다.
3) 방전 시간 상수
커패시터를 가로질러 나타나는 센서에서 생성된 전하는 FET 트랜지스터의 게이트에서 저항을 통해 점차적으로 누출될 수 있습니다. 총 저항에 이 노드의 총 커패시턴스를 곱하면 방전 시간 상수가 결정됩니다.
방전 시간 상수는 증폭기의 준정적 거동을 결정한다. 그림 5(b)는 입력이 충분히 오랜 시간 동안 일정하게 유지될 때 제한된 시간 상수가 어떻게 오류를 일으킬 수 있는지 보여줍니다(그림 5(a)).
3. 충전 모드 IEPE 가속도계
충전 모드 IEPE는 그림 3과 같이 내부 전하 증폭기를 사용합니다.
충전 모드 IEPE 가속도계는 전압 모드 유형보다 더 일반적인 경향이 있습니다.
동등한 비율의 세라믹 소자와 비교할 때 석영 결정은 일반적으로 전압 감도가 더 높고 전하 민감도가 더 낮습니다. 석영의 낮은 전하 감도는 충전 모드 IEPE에서의 유용성을 제한할 수 있습니다. 이러한 이유로 세라믹 감지 소자는 충전 모드 IEPE에서 더 일반적으로 사용됩니다.
전압 모드 IEPE와 마찬가지로 충전 모드 IEPE의 출력 신호와 공급 전압은 표준 동축 또는 2선 케이블을 통해 센서에서 가져옵니다.
4. IEPE 센서의 다이나믹 레인지
IEPE 센서의 출력에서 DC 값은 일반적으로 8V에서 12V 범위입니다. 그러나 이 DC 전압은 전원 장치에서 제공하는 온도 및 공급 전류에 따라 변경될 수 있습니다. 출력의 실제 측정된 DC 값은 각 장치와 함께 제공된 교정 인증서에 보고됩니다. 그림 7는 일반적인 IEPE 센서의 동적 범위를 보여줍니다.
출력 전압은 항상 양수이며 상한은 전원 장치의 공급 전압에 의해 결정됩니다. 반면에 하한은 증폭기 매개변수에 의해 결정됩니다. 이 범위를 벗어나면 위 그림과 같이 잘린 파형이 생깁니다. 이러한 전압 레벨은 제조업체마다 다를 수 있습니다.
그림 8는 두 개의 서로 다른 공급 전압(Vs1 = 24VDC 및 Vs2 = 18VDC)입니다.
이 그림에서 실선 곡선은 예상 출력을 나타내며 음영 처리된 곡선은 Vs1 = 24 VDC 및 Vs2 = 18 VDC에 대한 실제 출력을 나타냅니다. 이 예에서 출력의 DC 값은 VB = 10 V입니다.
PCB의 이 IEPE 가속도계의 하한은 약 2 V입니다. 이 센서의 상한은 사용된 공급 전압보다 1 V 낮습니다. 이 1 V 강하는 전원 장치 내부의 전류 제한 다이오드가 올바르게 작동하도록 유지하기 위해 필요합니다. PCB 피에조트로닉스의 IEPE 센서의 공급 전압은 일반적으로 18 ~ 30 볼트 범위 내에 있습니다.
그림과 같이 Vs2 = 18 V의 공급 전압으로 VE2 = 17 V에서 출력이 클리핑됩니다. 이는 Vs1 = 24 V로 공급 전압을 증가시켜 VE1 = 23 V의 상한을 부여하면 해결할 수 있습니다.
5. 선형성 제한으로 인한 최대 스윙 범위
양의 레일까지 센서가 선형으로 작동하지 않을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 Vs1 = 24 V에서도 출력이 양의 레일에 가까워질 때 선형성 제한으로 인해 센서가 예상 곡선에서 벗어납니다. 센서가 정확한 결과를 생성할 수 있도록 공급 전압으로부터의 스윙 제한 외에 장치의 지정된 최대 스윙 범위를 고려해야 합니다.
IEPE 센서의 최대 스윙은 일반적으로 ±3 V, ±5 V 또는 ±10 V입니다. 그림 5의 예를 사용하면 센서의 최대 스윙은 ±10 V라고 가정합니다. 이것이 바이어스 전압 VB = 10 V보다 높은 10 V 영역이 비선형 영역으로 지정되는 이유입니다. Vs2 = 18 V인 경우 공급 전압 제한으로 인해 양의 방향으로 최대 스윙은 8 V로 제한됩니다. 공급 전압을 18 V에서 24 V로 높이면 장치의 최대 스윙을 최대한 활용할 수 있고 최대 양의 스윙은 10 V가 됩니다. 그러나 이 경우 두 공급 옵션 모두의 음의 스윙은 2 V 하한에 의해 결정되며 최대 음의 스윙은 8 V가 됩니다.
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