使用IEPE传感器采集振动数据

IEPE定义介绍

IEPE是压电集成电路，Integrated Electronics Piezo-Electric的缩写。

它指的是一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器，也有人将它叫做ICP。这种称呼产生于上世纪六七十年代，当时有很多厂家生产这种带内置电路的压电传感器，其中PCB公司将自己生产的传感器命名为ICP，其他公司也就开始使用这一称谓。

随着市场的扩大，PCB公司就将ICP注册为商品名，导致其他公司无法使用，所以业内提出以IEPE来命名这种传感器，并逐渐受到了行业内众多公司的认同，其中包括PCB公司。因为国内的PCB的产品较多，所以ICP的叫法也就沿用下来。

压电效应

回归正题，IEPE既然是一种压电式传感器，那么它利用的原理自然是压电效应。压电效应又分为正压电效应和负压电效应。正压电效应是指：某些电介质在一定方向上受到外力作用产生形变时，介质内部会发生极化现象，在它的两个相对表面上，会产生正负相反的电荷。

当外力消失时，电荷就会消失，当外力的方向发生变化，电荷的极性也会随之改变。

逆压电效应是指：向电介质的极化方向上施加一个电场，介质会随之发生形变，当电场消失，介质的形变也会消失。由此可见压电效应是一种瞬时的变化，所以压电传感器可以测量动态量。

加速度转变电信号

IEPE也是一种加速度传感器，它是怎样将加速度转变为电信号的呢？

首先我们要明白加速度是什么。加速度是由牛顿第二定律定义的，常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。加速度的方向，与作用力的方向保持一致。公式表示为：a=F/m，其中F为物体受到的合力，m为物体的质量，a为物体的加速度，单位是。质量m一般不会变化，可以提前测得。而力F的大小，则可以利用压电效应测量，这样就可以求物体加速度的大小。

还有一个问题，因为力与加速度都是矢量，即它们都是有方向的。在实际应用中，我们也需要知道物体的加速方向，以判断物体所处的状态，如：倾斜角度有多大、是否发生反转，是否在晃动等等情况。为解决这样的问题，可以将传感器分为三部分，即X轴、Y轴和Z轴。

用X、Y表示在平面中的运动方向，Z轴表示在空间中的上升和下降，这样就可以判断物体的运动了。三轴加速度传感器虽然精确，但是使用成本较高，所以根据实际使用情况的不同，还有单轴，双轴等类型的传感器。

IEPE如何工作

说了这么多IEPE到底是如何工作的呢？首先IEPE整体组装在一个金属壳内，下面连接一个刚度较大的基座，在壳体内部，两片压电片组成压电元件并且表面镀银。压电片之间是金属片，它可以将压电元件产生的电荷，通过引线输入到集成电路中，压电片上方连接着一个质量较小的质量块，质量块由刚度较大的弹簧或是螺栓，对其施加预载荷。

在使用IEPE测量振动时，应将传感器与被测物固定在一起，由于弹簧的刚性大而质量块的质量小，所以质量块受到的振动与基座的振动是相同的。因为质量块不断变化的惯性力的作用，使得压电片受到的压力不断变化，从而产生高阻抗的电荷信号，这些电荷信号通过与金属片相连的引线，输入到内置的集成电路中。集成电路又将输入的电荷信号转化成低阻抗的电压信号输出。

IEPE还需要使用一个恒流源供电，电流一般在2mA~20mA之间。在大多数情况下，4mA的恒定电流值是一个很好的折衷方案，供电电压在18V～30V之间。

IEPE传感器的内部集成电路中一个很重要的器件就是电荷放大器，它可以将电荷信号转变为电压信号。其原理图如下：

计算U_O与Q的关系，由电路图可知：

它便是IEPE输出的电压信号。但这个信号是交流信号叠加在直流电源上的电压信号，所以我们还要通过交流耦合，将信号中的直流成分去掉。使其变为以0V为基准的波形。

最后我们介绍一下IEPE的参数及其优缺点，IEPE的灵敏度单位是mV/g，其中g是重力加速度。灵敏度越高测量范围越小，灵敏度越低测量范围越大。传感器的最大量程是由最大输出电压与灵敏度的比值决定的。在选择传感器时，要特别注意这两个参数。

IEPE的优点是内部带有集成电路，导致它的抗干扰能力很好，可以用长轴电缆输出，而且方便安装，使用简单。缺点也因为内部的集成电路使的它的温度范围变窄，一般小于125℃，而且内部的集成电路与传感器承受同样的测试条件，很容易出现故障，对环境的要求也更高。

以上就是我们对IEPE相关内容的介绍。

采集IEPE的加速度信息

下面我们将通过实验，使用数据采集卡采集IEPE的加速度信息。

本次实验，我们通过风扇模拟物体发生损坏时震动信息的变化情况。

用到的实验器材有：USB-3213数据采集卡、SRD-1104-IEPE信号调理器、IEPE传感器和风扇。

SRD-1104-IEPE信号调理器，可以将IEPE的极性信号调整为双极性信号，而且能够为传感器提供4mA的恒流电源，同时调理器使用USB供电或者外接２４V电源。IEPE的有关参数是：量程10ｇ、激励电流2mA～20mA、灵敏度：501.5ｍV/g。各设备间的连接方式是：首先将IEPE传感器与信号调理器的IEPE 0接口相连；将IEPE信号调理器的IEPE OUT 0接口与采集卡的AI 0连接；将GND与采集卡的AI Sense连接；将采集卡上的AGND与Ai Sense短接。