集成電子壓電（IEPE）的壓電加速度計

了解集成電子壓電 （IEPE） 的壓電加速度計，即 IEPE 的電壓模式、充電模式和動態(tài)范圍。

在上一篇文章中，我們討論了 具有高輸入阻抗的放大器 需要從壓電傳感元件成功提取加速度信息。 對于一些壓電加速度計，放大器內(nèi)置在傳感器外殼中。

縮寫IEPE是集成電子壓電的縮寫，用于將這些壓電傳感器與沒有內(nèi)置電子設(shè)備的壓電傳感器區(qū)分開來。 IEPE傳感器的輸出是低阻抗電壓信號，而沒有內(nèi)置電子設(shè)備的壓電傳感器只能產(chǎn)生電荷輸出。 IEPE傳感器中使用的放大器可以是電壓放大器或
電荷放大器。

在本文中，我們將使用術(shù)語“電壓模式IEPE”來指代帶有電壓放大器的IEPE，并使用術(shù)語“充電模式IEPE”來指代帶有內(nèi)部電荷放大器的IEPE傳感器。 我們還將使用術(shù)語“電荷輸出傳感器”來指代沒有內(nèi)部放大器的壓電傳感器。

了解IEPE加速度計中的電壓模式

首先，讓我們記住電壓模式IEPE傳感器的基本示意圖，如圖1所示。

圖1. 電壓模式IEPE傳感器的示例圖。 圖片［改編］由圖片提供 戴特蘭

牢記該數(shù)字，讓我們深入了解電壓模式IEPE的檢測元件、放大器配置和放電時間常數(shù)。

傳感元件

雖然石英和壓電陶瓷晶體都可以在電壓模式IEPE中使用，但石英傳感元件自然更適合電壓模式信號調(diào)理，因為它們具有較低的電容，并且在給定的電荷量下產(chǎn)生更大的電壓（根據(jù)V= q / C）。 石英是天然晶體，而陶瓷是人造的。 陶瓷具有高電壓靈敏度和高電荷靈敏度類型。 具有高電壓靈敏度的壓電陶瓷也可用于電壓模式IEPE傳感器。

放大器配置

如圖1所示，放大器的第一級集成了一個場效應(yīng)晶體管（FET），以最大限度地提高放大器的輸入電阻，并避免為傳感器產(chǎn)生的電荷產(chǎn)生泄漏路徑。 在輸出級，放大器使用雙極晶體管來提高線路驅(qū)動能力。 在上圖中，放大器為單位增益源跟隨器配置。 晶體管的源極端子以及電路接地端子從傳感器外殼中取出，通過同軸電纜連接到功率單元。 IEPE傳感器的動力單元將在另一篇文章中研究。

在傳感元件上建立的電壓（ΔV）由下式給出：

ΔV=ΔqCtotalΔV=ΔqCtotal

其中 Δq 表示產(chǎn)生的電荷，C總是在FET晶體管柵極“看到”的總電容。 位于直流電壓之上的相同電壓變化（ΔV）也出現(xiàn)在單位增益放大器的輸出端。 不帶激勵的輸出直流值通常在8 V至12
V范圍內(nèi)。

放電時間常數(shù)

傳感器產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在電容器上，可以通過FET晶體管柵極“看到”的電阻逐漸泄漏。 總電阻乘以該節(jié)點的總電容決定了放電時間常數(shù)。

正如我們在 以前的文章
電荷放大器，放電時間常數(shù)決定了放大器的準靜態(tài)行為。 圖2（b）顯示了當(dāng)輸入保持足夠長時間恒定時，有限時間常數(shù)如何引入誤差（圖2（a））。

圖2. （a） 輸入加速度波形和 （b） 放大器具有短時間常數(shù)時的輸出。 圖片（改編）由 奇石樂

充電模式 IEPE 加速度計

充電模式IEPE使用內(nèi)部電荷放大器，如圖3所示。

圖3. 充電模式IEPE中的內(nèi)部放大器示例圖。 圖片由 印刷電路板壓電元件

充電模式IEPE加速度計往往比電壓模式類型更常見（要了解電荷放大器的工作原理，請參閱開頭鏈接的上一篇文章）。

與等比例的陶瓷元件相比，石英晶體通常具有更高的電壓靈敏度和較低的充電靈敏度。 石英的低電荷靈敏度會限制其在充電模式IEPE中的實用性。 這就是為什么陶瓷傳感元件更常用于充電模式IEPE的原因。

請注意，就像電壓模式IEPE一樣，充電模式IEPE的輸出信號和電源電壓都通過標準同軸或雙芯電纜從傳感器中帶出。

IEPE傳感器的動態(tài)范圍

不帶激勵的IEPE傳感器輸出端的直流值通常在8 V至12V范圍內(nèi)。 但是，該直流電壓會隨著溫度和功率單元提供的電源電流而變化。 輸出的實際測量直流值報告在每個設(shè)備隨附的校準證書上。 圖4顯示了典型IEPE傳感器的動態(tài)范圍。

圖4. 顯示IEPE傳感器動態(tài)范圍的圖表。 圖片由 MMF

輸出電壓始終為正，上限由功率單元的電源電壓決定。 另一方面，下限由放大器參數(shù)決定。 超出此范圍，我們將得到一個削波波形，如上圖所示。 請記住，這些電壓電平可能因制造商而異。

圖5顯示了 來自PCB壓電電子的IEPE傳感器示例 適用于兩種不同的電源電壓 （VS1 = 24 VDC 和 VS2 = 18 VDC）。

圖5. 示例 IEPE 傳感器的動態(tài)范圍。 圖片由 印刷電路板壓電元件

在此圖中，實線表示預(yù)期輸出，而陰影曲線表示 V 的實際輸出S1 = 24 VDC 和 VS2 = 18 VDC。 輸出的直流值為 VB 在本例中為 =
10 V。 PCB的IEPE加速度計的下限約為2 V。 該傳感器的上限比采用的電源電壓低 1 V。 需要此1 V壓降以保持功率單元內(nèi)的限流二極管正常工作。 PCB壓電電子學(xué)的 IEPE 傳感器的電源電壓通常在 18 到 30 伏的范圍內(nèi)。

如圖所示，電源電壓為VS2 = 18 V，輸出在 V 處削波E2 = 17 V。 這可以通過將電源電壓增加到V來解決S1 = 24 V，上限為 VE1= 23 V.

由于線性度限制的最大擺幅范圍應(yīng)該注意的是，傳感器可能無法一直線性工作到正電源軌。如圖 5 所示，即使使用 VS1 = 24V，當(dāng)輸出接近正供電軌時，由于線性度限制，傳感器偏離預(yù)期曲線。為了確保傳感器能夠產(chǎn)生準確的結(jié)果，除了電源電壓的擺幅限制外，我們還需要考慮器件的指定最大擺幅范圍。

IEPE傳感器的最大擺幅通常為±3 V、±5 V或±10 V。以圖5所示為例，假設(shè)傳感器的最大擺幅為±10 V。這就是為什么將高于偏置電壓VB =10 V的10 V區(qū)域指定為非線性區(qū)域的原因。Vs2 = 18 V時，由于電源電壓限制，正方向的最大擺幅限制為8 V。將電源電壓從 18 V 增加到 24 V

使我們能夠充分利用器件的最大擺幅，實現(xiàn) 10 V 的最大正擺幅。但是，兩種電源選項的負擺幅均由2 V下限決定，在本例中最大負擺幅為8 V。

在下一篇文章中，我們將查看可用于向IEPE傳感器供電的典型功率單元圖。我們還將研究IEPE型和電荷輸出傳感器的優(yōu)點和局限性。