ICP®是一個(gè)用內(nèi)置微電子放大器***識(shí)別PCB壓電傳感器的術(shù)語(yǔ)。(ICP®是PCB Group，Inc。的注冊(cè)商標(biāo))由恒流信號(hào)調(diào)理器供電，結(jié)果是易于操作，低阻抗的雙線系統(tǒng)，如圖5所示。
圖5：典型的ICP®傳感器系統(tǒng)
除了易于使用和操作簡(jiǎn)單之外，ICP®傳感器還具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)電荷輸出傳感器的優(yōu)勢(shì)，包括：
1)固定電壓靈敏度，與電纜長(zhǎng)度或電容無(wú)關(guān)。
2.)低輸出阻抗(<100歐姆)允許信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸通過(guò)惡劣環(huán)境，幾乎不會(huì)損失信號(hào)質(zhì)量。
3.)雙線系統(tǒng)可容納標(biāo)準(zhǔn)低成本同軸電纜或其他兩根導(dǎo)線電纜。
4.)高質(zhì)量，電壓輸出兼容標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，記錄或采集儀器。
5.)通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器輸出偏置電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)本征傳感器自檢功能。
6.)每通道成本低，因?yàn)閭鞲衅鲀H需要低成本的恒定電流信號(hào)調(diào)節(jié)器。
7.)減少系統(tǒng)維護(hù)。
8.)讀出和數(shù)據(jù)采集儀器的方向操作，其中包含用于PCB的ICP®傳感器的電源。
圖6示意性地顯示了典型石英和陶瓷ICP®傳感器的電氣基礎(chǔ)。這些傳感器由基本的壓電轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(其輸出與力，壓力加速度或應(yīng)變成比例，取決于傳感器類型)組成，并與高度可靠的集成電路相連。
圖6：基本石英和陶瓷ICP®傳感器
ICP®傳感器通常使用兩種類型的集成電路：電壓放大器和電荷放大器。低電容石英傳感元件具有非常高的電壓輸出(根據(jù)V = q / C)，通常與MOSFET電壓放大器一起使用。具有非常高的電荷輸出的陶瓷傳感元件通常耦合到電荷放大器。
***先將解釋ICP®石英傳感技術(shù)背后的理論。當(dāng)作用在壓電傳感元件上的被測(cè)物產(chǎn)生一定量的電荷時(shí)，該過(guò)程開始，稱為Δq。該電荷收集在晶體電容C中，并根據(jù)靜電定律形成電壓：ΔV=Δq/ C. 由于石英具有非常低的電容，因此產(chǎn)生高壓輸出，適用于電壓放大器。然后放大器的增益決定了傳感器的靈敏度。
該ΔV瞬間出現(xiàn)在電壓放大器的輸出端，增加到大約+10 VDC的偏置電平。該偏置電平是恒定的，并且由放大器本身的電特性產(chǎn)生。(通常，在分析任何數(shù)據(jù)之前，通過(guò)外部信號(hào)調(diào)理器消除偏置電平。這個(gè)概念將在后面詳細(xì)解釋。)此外，傳感器輸出端的阻抗電平小于100歐姆。這樣可以輕松地將長(zhǎng)電纜穿過(guò)惡劣的環(huán)境，幾乎不會(huì)損失信號(hào)質(zhì)量。
利用陶瓷傳感元件的ICP®傳感器通常以不同的方式操作。陶瓷ICP®傳感器不使用晶體產(chǎn)生的電壓，而是使用電荷放大器。在這種情況下，陶瓷晶體的高電荷輸出是所希望的特性。
傳感器的電氣特性類似于先前在充電模式系統(tǒng)中描述的那些，其中電壓輸出僅僅是由晶體產(chǎn)生的電荷除以反饋電容器的值。(放大器的增益(mV / pC)***終決定了傳感器的***終靈敏度)。在這種情況下，許多限制已被消除。也就是說(shuō)，所有高阻抗電路都在堅(jiān)固的密封外殼內(nèi)受到保護(hù)。消除了對(duì)污染和低噪聲布線的擔(dān)憂或問(wèn)題。
下面提供了集成電路電壓和電荷放大器的快速比較：
請(qǐng)注意，圖6中的模式還包含一個(gè)額外的電阻。在這兩種情況下，電阻器用于設(shè)置RC(電阻器 - 電容器)電路的放電時(shí)間常數(shù)。這將在標(biāo)題為“換能器放電時(shí)間常數(shù)”的部分中進(jìn)一步說(shuō)明。
串聯(lián)充電和電壓放大器
某些應(yīng)用(例如高溫測(cè)試)可能需要從傳感器中移除集成電路。因此，可提供各種在線電荷放大器和在線電壓放大器。操作與ICP®傳感器的操作相同，只是將傳感器連接到放大器的電纜帶有高阻抗信號(hào)。必須采取特殊預(yù)防措施，如前面在充電和電壓模式部分中討論的那些，以確保可靠和可重復(fù)的數(shù)據(jù)。
為ICP®系統(tǒng)供電
典型的傳感系統(tǒng)包括石英ICP傳感器，普通雙芯電纜和基本恒流信號(hào)調(diào)理器，如圖7所示。所有ICP®傳感器都需要恒流電源才能正常工作。可以清楚地看到雙線操作的簡(jiǎn)單性和原理。
圖7：典型的傳感系統(tǒng)
信號(hào)調(diào)理器包括一個(gè)良好調(diào)節(jié)的18至30 VDC電源(電池或線路供電)，一個(gè)電流調(diào)節(jié)二極管(或等效的恒流電路)，以及一個(gè)用于去耦(消除偏置電壓)信號(hào)的電容器。電壓表(VM)監(jiān)控傳感器偏置電壓(通常為8至14 VDC)，可用于檢查傳感器操作和檢測(cè)開路或短路電纜和連接。
出于若干原因，使用電流調(diào)節(jié)二極管代替電阻器。二極管的非常高的動(dòng)態(tài)電阻產(chǎn)生源極跟隨器增益，該增益非常接近于單位并且與輸入電壓無(wú)關(guān)。此外，可以改變二極管以提供更高的電流以驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度。如圖8所示，恒流二極管用于所有PCB電池供電的信號(hào)調(diào)節(jié)器。(電路中二極管的正確方向?qū)τ谡９ぷ髦陵P(guān)重要。)除特殊型號(hào)外，標(biāo)準(zhǔn)ICP®傳感器至少需要2 mA才能正常工作。
圖8：恒流二極管
目前的技術(shù)將這種二極管類型限制在4 mA***大額定值; 但是，可以并聯(lián)多個(gè)二極管以獲得更高的電流水平。所有PCB線路供電的信號(hào)調(diào)理器都使用更高容量(高達(dá)20 mA)的恒流電路代替二極管，但操作原理是相同的。
數(shù)據(jù)信號(hào)的去耦發(fā)生在信號(hào)調(diào)節(jié)器的輸出級(jí)。10至30μF電容將信號(hào)電平移位，從根本上消除傳感器偏置電壓。結(jié)果是無(wú)漂移的AC操作模式。可選的直流耦合模型通過(guò)使用直流電壓電平轉(zhuǎn)換器消除了偏置電壓。
激勵(lì)電壓對(duì)ICP®傳感器動(dòng)態(tài)范圍的影響
所有標(biāo)準(zhǔn)ICP®傳感器和放大器的額定激勵(lì)電壓通常在18至30伏的范圍內(nèi)。該范圍的影響如圖9所示。
圖9：典型電壓模式系統(tǒng)
為了解釋該圖表，將假設(shè)以下值：
V B =傳感器偏置電壓= 10 VDC
V S1 =電源電壓1 = 24 VDC
V E1 =激勵(lì)電壓1 = V S1 -1 = 23 VDC
V S2 =電源電壓2 = 18 VDC
V E2 =激勵(lì)電壓2 = V S2 -1 = 17 VDC
***大傳感器放大器范圍=±10伏
請(qǐng)注意，必須保持限流二極管(或等效電路)上的大約1伏的壓降，以實(shí)現(xiàn)正確的電流調(diào)節(jié)。這很重要，因?yàn)榇?lián)的兩個(gè)12 VDC電池的供電電壓為24 VDC，但只有23 VDC可用的傳感器激勵(lì)電平。
實(shí)線曲線表示典型ICP®傳感器內(nèi)部電子元件的輸入，而陰影曲線表示兩種不同電源電壓的輸出信號(hào)。
在負(fù)方向上，電壓擺動(dòng)通常受到2VDC下限的限制。低于此水平，輸出變?yōu)榉蔷€性(圖上的非線性部分1)。負(fù)方向的輸出范圍可通過(guò)下式計(jì)算：
負(fù)范圍= V B -2(公式4)
這表明負(fù)電壓擺動(dòng)僅受傳感器偏置電壓的影響。對(duì)于這種情況，負(fù)電壓范圍是8伏。
在正方向上，電壓擺動(dòng)受激勵(lì)電壓的限制。正方向的輸出范圍可通過(guò)以下公式計(jì)算：
正范圍=(V s - 1) - V B = V E - V B(公式5)
對(duì)于18 VDC的電源電壓，這會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)輸出范圍7伏的正方向。超過(guò)此點(diǎn)的輸入電壓僅導(dǎo)致如圖所示的限幅波形。
對(duì)于24 VDC的電源電壓，正方向的理論輸出范圍為13伏。然而，ICP®傳感器中的微電子很少能夠在此水平上提供準(zhǔn)確的結(jié)果。(本例中假設(shè)的***大電壓擺幅為10伏。)大多數(shù)指定為±3，±5或±10伏。高于指定的水平，放大器是非線性的(圖上的非線性部分2)。對(duì)于此示例，24 VDC電源電壓將可用傳感器輸出范圍擴(kuò)展到+ 10 / -8伏。