Icp 센서 전원 공급 방법

Icp 센서 전원 공급 방법
TDK InvenSense의 ICP-101xx 기압 센서 제품군은 가장 낮은 전력으로 초저잡음을 제공하는 MEMS 정전 용량 기술을 기반으로 하여 업계 선도적인 상대 정확도, 센서 처리량, 온도 안정성을 지원합니다. 압력 센서는 한 계단의 높이보다 낮은 최소 5cm의 고도 측정차를 가능하게 하는 ±1Pa의 정확도로 압력차를 측정할 수 있습니다. 1Hz에서 1.3µA만을 소비하고 2mm x 2mm x 0.72mm의 소형 실장 면적, 1.5m 깊이의 방수, 10핀 LGA 패키지(ICP-10100)로 제공하는 ICP-101xx는 휴대 전화, 웨어러블 피트니스 모니터링, 드론, 배터리 구동식 IoT 장치에 매우 적합합니다. ICP-101xx는 ±0.5Pa/°C의 업계 선도적인 온도 계수 오프셋을 제공합니다. 소형 실장 면적에 고정확도, 저전력, 온도 안정성, 방수의 조합으로 스포츠 활동 식별, 모바일 실내/실외 네비게이션, 드론의 고도 유지를 위한 더 높은 성능의 기압 감지를 지원합니다.

특징
  • 압력 작동 범위: 30kPa ~ 110kPa
  • 잡음 및 전류 소비
    • 0.4Pa(10.4µA 기준)(ULN 모드)
    • 0.8Pa(5.2µA 기준)(LN 모드)
    • 3.2Pa(1.3µA 기준)(LP 모드)
  • IPx8: 1.5m 깊이까지 방수(ICP-10100 및 ICP-10110)
  • 압력 센서 상대 정확도: 10hPa 변화 시 ±1Pa
  • 압력 센서 절대 정확도: ±1hPa
  • 압력 센서 온도 계수 오프셋: ±0.5Pa/°C
  • 온도 센서 절대 정확도: ±0.4°C
응용 분야

먼저 IEPE 센서와 ICP(Integrated Circuit Piezoelectric) 센서는 동일한 센서라고 보시면 됩니다. 일반적인 센서는 전압, 전류등을 출력하여 DAQ 장비에서 수집하게 됩니다.

하지만 IEPE 센서(ICP 센서)는 외부에서 일정한 전류(Constant Current)를 제공하고, 이를 이용하여 내부회로를 통해서 출력되는 전압 값을 DAQ 장비에서 수집을 하게 됩니다.

따라서 IEPE 센서와 ICP 센서를 정상적으로 측정을 하기 위해서는 DAQ 장비 혹은 다른 전원 소스를 통해서 전류가 들어가야합니다. 

그럼 IEPE 혹은 ICP의 원리가 어떻게 되는지 확인해 봅시다. 

IEPE 센서 혹은 ICP 센서에서 받는 전류는 가속도계의 진동을 측정하기 위한 장비 혹은 다른 소스원에서 출력이 됩니다. IEPE 센서(센서라 부르고 대부분 가속도계)는 전압 증폭기(전하 증폭기)와 트랜스듀서를 통합한 센서인데, 트랜스듀서는 압력을 전압을 변환하게됩니다. 

Icp 센서 전원 공급 방법

하지만 트랜스듀서를 통해서 변환된 전압은 미미하기도 하고, 노이즈에 취약하기 때문에 IEPE 가속도계 내부에서는 증폭기를 사용하게 됩니다.

IEPE 가속도계(ICP 가속도계)의 내부 회로는 일정한 전류를 공급을 받습니다. 이때 내부회로는 저항의 역할을 하게 되는데, 옴의 법칙(V=IR)에 따라 일정한 전류 상태에서는 트랜스듀서를 통해서 변환된 전압이 트랜스듀서에 전달되는 압력의 변화라고 할 수가 있습니다. 

진동 신호가 변환된 전압은 다시 데이터 수집 장치로 전달이 되게 됩니다. 이 때 이 전압은 바이어스 전압이 전달 됩니다. 

바이어스 전압이란?

증폭 회로나 변조 회로에 쓰는 전자관이나 트랜지스터에 원하는 동작점을 설정하기 위하여 사용되는 전압

진동 신호의 경우는 변조된 바이어스 전압으로 출력이 됩니다. 따라서 아래의 그림 커패시터 Cc는 제로 베이스 AC 신호를 출력하는 장비로부터 센서의 바이어스 전압을 제거합니다. 

일반적으로 외부 전원을 통해서 공급받는 전류는 2 – 20mA인데, 적은 전류일수록 높은 출력 임피던스를 가지기 때문에 4 mA가 가장 이상적이라고 할 수 있습니다. 

Icp 센서 전원 공급 방법

바이어스 전압( 예) 외부 전원이 없는 상태에서의 센서 DC 출력값)은 일반적으로 12-14V이지만 공급되는 전류와 온도에 따라서 달라질 수 있습니다. 가속도계 센서 오실레이터에서 나오는 전압은 바이어스 전압을 기준으로 하게 때문에 –신호가 나올 수 없습니다.

이 전압 신호의 최대값은 공급되는 전류에 따라서 결정이 됩니다. 공급 전류의 일반적인 전압은 24-30V 사이입니다. 전압의 최저치는 센서에 있는 Amplifier에 의해서 결정이 됩니다. 

The abbreviation IEPE stands for Integrated Electronics Piezo-Electric. It characterises a technical standard for piezoelectric sensors which contain built-in impedance conversion electronics. IEPE sensors are used to measure acceleration, force or pressure. Measurement microphones also apply the IEPE standard. Other proprietary names for the same principle are ICP, CCLD, IsoTron or DeltaTron.

The electronics of the IEPE sensor (typically implemented as FET circuit) converts the high impedance signal of the piezoelectric material into a voltage signal with a low impedance of typically 100 Ω. A low impedance signal is advantageous because it can be transmitted across long cable lengths without a loss of signal quality. In addition, special low noise cables, which are otherwise required for use with piezoelectric sensors, are no longer necessary.

The sensor circuit is supplied with constant current. A distinguishing feature of the IEPE principle is that the power supply and the sensor signal are transmitted via one shielded wire.

Most IEPE sensors work at a constant current between 2 and 20 mA. A common value is 4 mA. The higher the constant current the longer the possible cable length. Cables of several hundred meters length can be used without a loss of signal quality. Supplying the IEPE sensor with constant current, results in a positive bias voltage, typically between 8 and 12 volts, at the output. The actual measuring signal of the sensor is added to this bias voltage.[1][2][3] The supply or compliance voltage of the constant current source should be 24 to 30 V which is about two times the bias voltage. This ensures maximum amplitudes in positive and negative direction.

A typical IEPE sensor supply with 4 mA constant current and 25 V compliance voltage has a power consumption of 100 mW. This can be a drawback in battery powered systems. For such applications low-power IEPE sensors exist which can be operated at only 0.1 mA constant current from a 12 V supply. This may save up to 90 % power. Bias voltage and output voltage swing of an IEPE sensor

Many measuring instruments designed for piezoelectric sensors or measurement microphones have an IEPE constant current source integrated at the input. In measuring instruments with IEPE input the bias voltage is often used for sensor detection. If the signal lies close to the constant current supply voltage, there is no sensor present or the cable path has been interrupted. A signal close to the saturation voltage, indicates a short-circuit in the sensor or cable. In between these two limits a functional sensor has been detected. The bias voltage is cut off by a coupling capacitor at the instrument input and only the AC signal is processed further. IEPE sensor connected to the input of an instrument

Piezoelectric sensors which do not possess IEPE electronics, meaning with charge output, remain reserved for applications where lowest frequencies, high operating temperatures, an extremely large dynamic range, very energy saving operation or extremely small design is required.