带集成电子压电 (IEPE) 的压电加速度计
在之前的文章中，我们讨论了需要具有高输入阻抗的放大器才能成功地从压电传感元件中提取加速度信息。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那些没有内置电子器件的传感器区分开来。IEPE 传感器的输出是低阻抗电压信号，而没有内置电子元件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，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Dytran提供
记住这个数字，让我们深入了解电压模式 IEPE 的传感元件、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用于电压模式 IEPE，但石英传感元件自然更适合电压模式信号调节，因为它们具有较低的电容并针对给定的电荷量产生较大的电压（根据 V = q / C）。石英是天然晶体，而陶瓷是人造的。陶瓷既有高电压敏感型，也有高电荷敏感型。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，放大器的级包含一个场效应晶体管 (FET)，以化放大器的输入电阻并避免为传感器产生的电荷创建泄漏路径。在输出级，放大器采用双极晶体管来提高线路驱动能力。在上图中，放大器是单位增益源极跟随器配置。晶体管的源极端子以及电路接地端子从传感器外壳引出，通过同轴电缆连接到电源单元。IEPE 传感器的动力装置将在另一篇文章中进行探讨。
传感元件两端的电压 (ΔV) 由下式给出：
Δ V = Δ q C to o t a lΔV=ΔqCtotal
其中 Δq 表示产生的电荷，C total是 FET 晶体管栅极“看到”的总电容。直流电压上的相同电压变化 (ΔV) 也出现在单位增益放大器的输出端。无激励输出的直流值通常在 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两端，可以通过 FET 晶体管栅极“可见”的电阻逐渐泄漏。该节点的总电阻乘以总电容决定了放电时间常数。
正如我们在之前有关电荷放大器的文章中所讨论的那样，放电时间常数决定了放大器的准静态行为。图 2(b) 显示了当输入在足够长的时间内保持恒定时，有限的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Kistler提供
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PCB Piezotronics提供
电荷模式 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）。
与同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更低的电荷灵敏度。石英的低电荷灵敏度会限制其在电荷模式 IEPE 中的用途。这就是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均通过标准同轴电缆或双芯电缆从传感器引出。
IEPE 传感器的动态范围
没有激励的 IEPE 传感器输出端的直流值通常在 8 V 至 12 V 范围内。但是，此直流电压会随温度和电源单元提供的电源电流而变化。输出的实际测量 DC 值在每个设备随附的校准证书上。图 4 说明了典型 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提供
输出电压始终为正，上限由功率单元的供电电压决定。另一方面，下限由放大器参数决定。超出此范围，我们将得到如上图所示的截断波形。请记住，这些电压水平可能因制造商而异。
图 5 显示了PCB Piezotronics 的示例 IEPE 传感器 在两种不同电源电压（V s1 = 24 VDC 和 V s2 = 18 VDC）下的动态范围。
图 5. IEPE 传感器示例的动态范围。图片由PCB Piezotronics提供
在此图中，实线代表预期输出，而阴影曲线代表 V s1 = 24 VDC 和 V s2 = 18 VDC的实际输出。在此示例中，输出的直流值为 V B = 10 V。来自 PCB 的此 IEPE 加速度计的下限约为 2 V。此传感器的上限比所用电源电压低 1 V。需要这个 1 V 压降来保持功率单元内的限流二极管正常工作。PCB Piezotronics 的 IEPE 传感器的电源电压通常在 18 至 30 伏的范围内。
如图所示，电源电压为 V s2 = 18 V，输出被削波为 V E2 = 17 V。这可以通过将电源电压增加到 V s1 = 24 V 来解决，给出 V 的上限E1 = 23 伏。
线性限制导致的摆幅范围
应该注意的是，传感器可能无法一直线性运行到正轨。如图 5 所示，即使 V s1 = 24 V，当输出接近正轨时，传感器也会由于线性限制而偏离预期曲线。为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指定的摆幅范围。
IEPE 传感器的摆幅通常为 ±3 V、±5 V 或 ±10 V。在图 5 所示的示例中，假设传感器的摆幅为 ±10 V。这就是为什么该区域高 10 V比偏置电压 VB = 10 V 指定为非线性区域。当 Vs2 = 18 V 时，由于电源电压的限制，正方向的摆幅限制为 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摆幅并实现 10 V 的正摆幅。但是，两种电源选项的负摆幅均由低 2 V 决定限制，为此示例提供 8 V 的负摆幅。
在下一篇文章中，我们将查看可用于为 IEPE 传感器供电的典型电源单元图。我们还将了解 IEPE 型和电荷输出传感器的优点和局限性。
