【導(dǎo)讀】在之前的文章中，我們討論了需要具有高輸入阻抗的放大器才能成功地從壓電傳感元件中提取加速度信息。對(duì)于一些壓電加速度計(jì)，放大器內(nèi)置在傳感器外殼中。
在之前的文章中，我們討論了需要具有高輸入阻抗的放大器才能成功地從壓電傳感元件中提取加速度信息。對(duì)于一些壓電加速度計(jì)，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那些沒(méi)有內(nèi)置電子器件的傳感器區(qū)分開來(lái)。IEPE 傳感器的輸出是低阻抗電壓信號(hào)，而沒(méi)有內(nèi)置電子元件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(yǔ)“電壓模式 IEPE”來(lái)指代帶有電壓放大器的 IEPE，使用術(shù)語(yǔ)“充電模式 IEPE”來(lái)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(yǔ)“電荷輸出傳感器”來(lái)指代沒(méi)有內(nèi)部放大器的壓電傳感器。
了解 IEPE 加速度計(jì)中的電壓模式
首先，讓我們記住電壓模式 IEPE 傳感器的基本圖，如圖 1 所示。
圖 1. 電壓模式 IEPE 傳感器的示例圖。圖片 [改編] 由Dytran提供
記住這個(gè)數(shù)字，讓我們深入了解電壓模式 IEPE 的傳感元件、放大器配置和放電時(shí)間常數(shù)。
傳感元件
雖然石英和壓電陶瓷晶體都可用于電壓模式 IEPE，但石英傳感元件自然更適合電壓模式信號(hào)調(diào)節(jié)，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的電容并針對(duì)給定的電荷量產(chǎn)生較大的電壓（根據(jù) V = q / C）。石英是天然晶體，而陶瓷是人造的。陶瓷既有高電壓敏感型，也有高電荷敏感型。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，放大器的級(jí)包含一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，以化放大器的輸入電阻并避免為傳感器產(chǎn)生的電荷創(chuàng)建泄漏路徑。在輸出級(jí)，放大器采用雙極晶體管來(lái)提高線路驅(qū)動(dòng)能力。在上圖中，放大器是單位增益源極跟隨器配置。晶體管的源極端子以及電路接地端子從傳感器外殼引出，通過(guò)同軸電纜連接到電源單元。IEPE 傳感器的動(dòng)力裝置將在另一篇文章中進(jìn)行探討。
傳感元件兩端的電壓 (ΔV) 由下式給出：
Δ V = Δ q C to o t a lΔV=ΔqCtotal
其中 Δq 表示產(chǎn)生的電荷，C total是 FET 晶體管柵極“看到”的總電容。直流電壓上的相同電壓變化 (ΔV) 也出現(xiàn)在單位增益放大器的輸出端。無(wú)激勵(lì)輸出的直流值通常在 8 V 至 12 V 范圍內(nèi)。
放電時(shí)間常數(shù)
傳感器產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在電容器兩端，可以通過(guò) FET 晶體管柵極“可見”的電阻逐漸泄漏。該節(jié)點(diǎn)的總電阻乘以總電容決定了放電時(shí)間常數(shù)。
正如我們?cè)谥坝嘘P(guān)電荷放大器的文章中所討論的那樣，放電時(shí)間常數(shù)決定了放大器的準(zhǔn)靜態(tài)行為。圖 2(b) 顯示了當(dāng)輸入在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持恒定時(shí)，有限的時(shí)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(shí)間常數(shù)時(shí)的輸出。圖片（改編）由Kistler提供
充電模式 IEPE 加速度計(jì)
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PCB Piezotronics提供
電荷模式 IEPE 加速度計(jì)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(qǐng)參閱開頭鏈接的上一篇文章）。
與同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更低的電荷靈敏度。石英的低電荷靈敏度會(huì)限制其在電荷模式 IEPE 中的用途。這就是陶瓷傳感元件更常用于充電模式 IEPE 的原因。
請(qǐng)注意，就像電壓模式 IEPE 一樣，充電模式 IEPE 的輸出信號(hào)和電源電壓均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜或雙芯電纜從傳感器引出。
IEPE 傳感器的動(dòng)態(tài)范圍
沒(méi)有激勵(lì)的 IEPE 傳感器輸出端的直流值通常在 8 V 至 12 V 范圍內(nèi)。但是，此直流電壓會(huì)隨溫度和電源單元提供的電源電流而變化。輸出的實(shí)際測(cè)量 DC 值在每個(gè)設(shè)備隨附的校準(zhǔn)證書上。圖 4 說(shuō)明了典型 IEPE 傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。
圖 4. 顯示 IEPE 傳感器動(dòng)態(tài)范圍的圖表。圖片由MMF提供
輸出電壓始終為正，上限由功率單元的供電電壓決定。另一方面，下限由放大器參數(shù)決定。超出此范圍，我們將得到如上圖所示的截?cái)嗖ㄐ?。?qǐng)記住，這些電壓水平可能因制造商而異。
圖 5 顯示了PCB Piezotronics 的示例 IEPE 傳感器 在兩種不同電源電壓（V s1 = 24 VDC 和 V s2 = 18 VDC）下的動(dòng)態(tài)范圍。
圖 5. IEPE 傳感器示例的動(dòng)態(tài)范圍。圖片由PCB Piezotronics提供
在此圖中，實(shí)線代表預(yù)期輸出，而陰影曲線代表 V s1 = 24 VDC 和 V s2 = 18 VDC的實(shí)際輸出。在此示例中，輸出的直流值為 V B = 10 V。來(lái)自 PCB 的此 IEPE 加速度計(jì)的下限約為 2 V。此傳感器的上限比所用電源電壓低 1 V。需要這個(gè) 1 V 壓降來(lái)保持功率單元內(nèi)的限流二極管正常工作。PCB Piezotronics 的 IEPE 傳感器的電源電壓通常在 18 至 30 伏的范圍內(nèi)。
如圖所示，電源電壓為 V s2 = 18 V，輸出被削波為 V E2 = 17 V。這可以通過(guò)將電源電壓增加到 V s1 = 24 V 來(lái)解決，給出 V 的上限E1 = 23 伏。
線性限制導(dǎo)致的擺幅范圍
應(yīng)該注意的是，傳感器可能無(wú)法一直線性運(yùn)行到正軌。如圖 5 所示，即使 V s1 = 24 V，當(dāng)輸出接近正軌時(shí)，傳感器也會(huì)由于線性限制而偏離預(yù)期曲線。為確保傳感器能夠產(chǎn)生準(zhǔn)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指定的擺幅范圍。
IEPE 傳感器的擺幅通常為 ±3 V、±5 V 或 ±10 V。在圖 5 所示的示例中，假設(shè)傳感器的擺幅為 ±10 V。這就是為什么該區(qū)域高 10 V比偏置電壓 VB = 10 V 指定為非線性區(qū)域。當(dāng) Vs2 = 18 V 時(shí)，由于電源電壓的限制，正方向的擺幅限制為 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擺幅并實(shí)現(xiàn) 10 V 的正擺幅。但是，兩種電源選項(xiàng)的負(fù)擺幅均由低 2 V 決定限制，為此示例提供 8 V 的負(fù)擺幅。
在下一篇文章中，我們將查看可用于為 IEPE 傳感器供電的典型電源單元圖。我們還將了解 IEPE 型和電荷輸出傳感器的優(yōu)點(diǎn)和局限性。
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