集成电子压电（IEPE）的压电加速度计

了解集成电子压电 （IEPE） 的压电加速度计，即 IEPE 的电压模式、充电模式和动态范围。

在上一篇文章中，我们讨论了 具有高输入阻抗的放大器 需要从压电传感元件成功提取加速度信息。 对于一些压电加速度计，放大器内置在传感器外壳中。

缩写IEPE是集成电子压电的缩写，用于将这些压电传感器与没有内置电子设备的压电传感器区分开来。 IEPE传感器的输出是低阻抗电压信号，而没有内置电子设备的压电传感器只能产生电荷输出。 IEPE传感器中使用的放大器可以是电压放大器或
电荷放大器。

在本文中，我们将使用术语“电压模式IEPE”来指代带有电压放大器的IEPE，并使用术语“充电模式IEPE”来指代带有内部电荷放大器的IEPE传感器。 我们还将使用术语“电荷输出传感器”来指代没有内部放大器的压电传感器。

了解IEPE加速度计中的电压模式

首先，让我们记住电压模式IEPE传感器的基本示意图，如图1所示。

图1. 电压模式IEPE传感器的示例图。 图片［改编］由图片提供 戴特兰

牢记该数字，让我们深入了解电压模式IEPE的检测元件、放大器配置和放电时间常数。

传感元件

虽然石英和压电陶瓷晶体都可以在电压模式IEPE中使用，但石英传感元件自然更适合电压模式信号调理，因为它们具有较低的电容，并且在给定的电荷量下产生更大的电压（根据V= q / C）。 石英是天然晶体，而陶瓷是人造的。 陶瓷具有高电压灵敏度和高电荷灵敏度类型。 具有高电压灵敏度的压电陶瓷也可用于电压模式IEPE传感器。

放大器配置

如图1所示，放大器的第一级集成了一个场效应晶体管（FET），以最大限度地提高放大器的输入电阻，并避免为传感器产生的电荷产生泄漏路径。 在输出级，放大器使用双极晶体管来提高线路驱动能力。 在上图中，放大器为单位增益源跟随器配置。 晶体管的源极端子以及电路接地端子从传感器外壳中取出，通过同轴电缆连接到功率单元。 IEPE传感器的动力单元将在另一篇文章中研究。

在传感元件上建立的电压（ΔV）由下式给出：

ΔV=ΔqCtotalΔV=ΔqCtotal

其中 Δq 表示产生的电荷，C总是在FET晶体管栅极“看到”的总电容。 位于直流电压之上的相同电压变化（ΔV）也出现在单位增益放大器的输出端。 不带激励的输出直流值通常在8 V至12
V范围内。

放电时间常数

传感器产生的电荷出现在电容器上，可以通过FET晶体管栅极“看到”的电阻逐渐泄漏。 总电阻乘以该节点的总电容决定了放电时间常数。

正如我们在 以前的文章
电荷放大器，放电时间常数决定了放大器的准静态行为。 图2（b）显示了当输入保持足够长时间恒定时，有限时间常数如何引入误差（图2（a））。

图2. （a） 输入加速度波形和 （b） 放大器具有短时间常数时的输出。 图片（改编）由 奇石乐

充电模式 IEPE 加速度计

充电模式IEPE使用内部电荷放大器，如图3所示。

图3. 充电模式IEPE中的内部放大器示例图。 图片由 印刷电路板压电元件

充电模式IEPE加速度计往往比电压模式类型更常见（要了解电荷放大器的工作原理，请参阅开头链接的上一篇文章）。

与等比例的陶瓷元件相比，石英晶体通常具有更高的电压灵敏度和较低的充电灵敏度。 石英的低电荷灵敏度会限制其在充电模式IEPE中的实用性。 这就是为什么陶瓷传感元件更常用于充电模式IEPE的原因。

请注意，就像电压模式IEPE一样，充电模式IEPE的输出信号和电源电压都通过标准同轴或双芯电缆从传感器中带出。

IEPE传感器的动态范围

不带激励的IEPE传感器输出端的直流值通常在8 V至12V范围内。 但是，该直流电压会随着温度和功率单元提供的电源电流而变化。 输出的实际测量直流值报告在每个设备随附的校准证书上。 图4显示了典型IEPE传感器的动态范围。

图4. 显示IEPE传感器动态范围的图表。 图片由 MMF

输出电压始终为正，上限由功率单元的电源电压决定。 另一方面，下限由放大器参数决定。 超出此范围，我们将得到一个削波波形，如上图所示。 请记住，这些电压电平可能因制造商而异。

图5显示了 来自PCB压电电子的IEPE传感器示例 适用于两种不同的电源电压 （VS1 = 24 VDC 和 VS2 = 18 VDC）。

图5. 示例 IEPE 传感器的动态范围。 图片由 印刷电路板压电元件

在此图中，实线表示预期输出，而阴影曲线表示 V 的实际输出S1 = 24 VDC 和 VS2 = 18 VDC。 输出的直流值为 VB 在本例中为 =
10 V。 PCB的IEPE加速度计的下限约为2 V。 该传感器的上限比采用的电源电压低 1 V。 需要此1 V压降以保持功率单元内的限流二极管正常工作。 PCB压电电子学的 IEPE 传感器的电源电压通常在 18 到 30 伏的范围内。

如图所示，电源电压为VS2 = 18 V，输出在 V 处削波E2 = 17 V。 这可以通过将电源电压增加到V来解决S1 = 24 V，上限为 VE1= 23 V.

由于线性度限制的最大摆幅范围应该注意的是，传感器可能无法一直线性工作到正电源轨。如图 5 所示，即使使用 VS1 = 24V，当输出接近正供电轨时，由于线性度限制，传感器偏离预期曲线。为了确保传感器能够产生准确的结果，除了电源电压的摆幅限制外，我们还需要考虑器件的指定最大摆幅范围。

IEPE传感器的最大摆幅通常为±3 V、±5 V或±10 V。以图5所示为例，假设传感器的最大摆幅为±10 V。这就是为什么将高于偏置电压VB =10 V的10 V区域指定为非线性区域的原因。Vs2 = 18 V时，由于电源电压限制，正方向的最大摆幅限制为8 V。将电源电压从 18 V 增加到 24 V

使我们能够充分利用器件的最大摆幅，实现 10 V 的最大正摆幅。但是，两种电源选项的负摆幅均由2 V下限决定，在本例中最大负摆幅为8 V。

在下一篇文章中，我们将查看可用于向IEPE传感器供电的典型功率单元图。我们还将研究IEPE型和电荷输出传感器的优点和局限性。