工作原理和基本结构介绍

内装电路压电传感器，也称为集成电路压电速度计，在振动测量技术领域习惯称之为IEPE 加速度传感器，特指将传统压电传感器(Piezoelectric Transducer，PE 传感器)与电子电路集成在一个屏蔽壳体内的一类传感器。在压电传感器行业内，IEPE 加速度传感器还有一个广为熟知的名称叫集成电路压电传感器(Integrated Circuit Piezoelectric Sensor，ICP 传感器)。压电集成电路(ICP)已经被PCB 公司注册为公司商标(PCB Piezotronics Inc)，特指他们生产的带内置电路传感器IEPE 产品。IEPE 加速度传感器具有低噪声、宽动态范围、宽频率响应、宽工作温度范围、低输出阻抗、高灵敏度等优点，并可实现微型设计。IEPE 加速度传感器应用领域广泛，诸如航空航天、汽车工业、结构监测、医疗仪器、石油和矿物勘探、隔振和稳定平台、地震学和地震测量等，并成功应用在引力波探测系统主动隔振器等非常规研究领域。IEPE 压电传感器可测量宽频带加速度信号，一般典型工作频率范围为1 Hz ～10 kHz，有些IEPE 传感器低频下限至0.001 Hz，上限截止频率大于10 kHz。

图4-9 所示为IEPE 压电传感器工作原理图，包含用屏蔽线连接的信号适调电路。传统压电传感器由惯性质量块m 和压电晶体元件构成。加速度作用于传感器时，质量块给压电元件施加作用力F，压电元件将输入加速度转换成输出电荷信号。PE 传感器原理符合牛顿第二运动定律：F = ma。在动态加速度测量中IEPE 加速度传感器工作频率范围在PE 传感器谐振频率以内的平直段。在正常工作频率范围内PE 传感器是一个具有高阻抗电容性信号源。

IEPE 加速度传感器的内装电子电路有两种基本类型，分为电荷放大器(Charge Amplifier)和电压放大器(Voltage Amplifier)，主要功能是将传统PE 传感器产生的电荷信号变换成电压输出信号。放大器电路由基于场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)的输入级和基于双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)的输出级组成。放大器将PE 传感器产生的高阻抗电荷信号变换成可进行远距离传输的低阻抗电压信号，也称为电荷或电压变换器(Charge Voltage Converters)。FET 类型包括：n 沟道JFET、n 沟道MOSFET、p 沟道MOSFET；BJT 包括：NPN 型晶体管、PNP 型晶体管。有些放大器电路在输入级与输出级间还附加有信号处理电路。有些IEPE 传感器采用集成运算放大器设计内装放大器电路，但也同样具有基于FET 输入和BJT 输出的特性。有文献将IEPE 加速度传感器称为电压输出压电传感器，以便于与无内装电路的电荷输出PE 压电传感器形成对照。因为电荷放大器比电压放大器有更多优越性，大多数IEPE 加速度传感器采用电荷放大器内装电路，只有少数采用电压放大器内装电路。

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图4-9 IEPE 压电传感器工作原理图

以电荷放大器作为内装电路的IEPE 传感器称为电荷模式IEPE 传感器，以电压模式作为内装电路的IEPE 传感器称为电压模式IEPE 传感器。低输出阻抗意味着可以使用低成本常规同轴电缆或其他类型屏蔽电缆将输出信号传送至信号调整电路。

信号调整电路为IEPE 加速度传感器提供工作电源，并附加信号放大和信号处理功能，利用信号适调电路中的积分电路将加速度信号转换成速度信号，或者积分电路也可置于IEPE 传感器内，恒流源为内装电路提供恒定工作电流，系统配置是IEPE 加速度传感器和信号适调电路之间仅使用输出线和地线两根连接导线，可以同时传送信号和工作电源。在加速度传感器输出与信号适调电路输入之间设置耦合电容，以消除IEPE 加速度计输出直流偏置电压对信号适调电路中放大器输入级影响。