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置電子設備的壓電傳感器區分開來。 IEPE傳感器的輸出是低阻抗電壓信號，而沒有內置電子設備的壓電傳感器只能產生電荷輸出。 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，我們將使用術語“電壓模式IEPE”來指代帶有電壓放大器的IEPE，并使用術語“充電模式IEPE”來指代帶有內部電荷放大器的IEPE傳感器。 我們還將使用術語“電荷輸出傳感器”來指代沒有內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。

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理，因為它們具有較低的電容，并且在給定的電荷量下產生更大的電壓（根據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，并避免為傳感器產生的電荷產生泄漏路徑。 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。

放電時間常數

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

正如我們在 以前的文章
電荷放大器，放電時間常數決定了放大器的準靜態行為。 圖2（b）顯示了當輸入保持足夠長時間恒定時，有限時間常數如何引入誤差（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使用內部電荷放大器，如圖3所示。

圖3. 充電模式IEPE中的內部放大器示例圖。 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。 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備隨附的校準證書上。 圖4顯示了典型IEPE傳感器的動態范圍。

圖4. 顯示IEPE傳感器動態范圍的圖表。 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 傳感器的動態范圍。 圖片由 印刷電路板壓電元件

在此圖中，實線表示預期輸出，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的限流二極管正常工作。 PCB壓電電子學的 IEPE 傳感器的電源電壓通常在 18 到 30 伏的范圍內。

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，當輸出接近正供電軌時，由于線性度限制，傳感器偏離預期曲線。為了確保傳感器能夠產生準確的結果，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區域指定為非線性區域的原因。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 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點和局限性。