IEPE加速度传感器的类型及其应用场景分析

1.电荷模式IEPE 加速度传感器

在大多数振动测量应用中普遍使用电荷模式IEPE 加速度传感器。与电压模式相比，该类型传感器有更多技术优势，包括：宽动态范围、高灵敏度、低噪声，并且灵敏度与PE 传感器电容无关，可以灵活设计高灵敏度微型IEPE 传感器。

传感器内装电荷放大器电路是实现这些技术优势的根本原因所在。电荷放大器更适合作为PE 传感器这类信号源的信号适调电路。PE 传感器工作频率范围低于其固有谐振频率，工作频率范围内PE 传感器实质上是一个电容性信号源。与电压放大器不同，电荷放大器能提供更大的增益，有更简单的原理设计方案，而这些恰恰是小型化设计必须考虑的因素。PE传感器配接电荷放大器所组成测试系统的电荷增益与PE 传感器固有电容无关。PE 传感器固有电容的任何变化都不会影响IEPE 加速度传感器的总灵敏度。

1)基于FET-BJT 电荷放大器的电荷模式IEPE 加速度传感器

电荷放大器电路可以有多种原理设计方案。经典的电荷放大器电路实质上是带负反馈电容的运算放大器。大多数电荷模式IEPE 加速度传感器采用直接耦合FET-BJT 放大电路构成电荷放大器。

图4-12 所示为基于FET-BJT 电荷放大器的电荷模式IEPE 加速度传感器工作原理图。高输入阻抗的FET 输入级用以匹配PE 传感器的输出阻抗，BJT 输出级为电荷放大器提供低输出阻抗。这个直接耦合FET-BJT 电荷放大器类似于基于运算放大器的电荷放大器。但是与后者相比，FET-BJT 放大器能提供更高的工作温度、低噪声、更宽的动态范围，且占用的空间更小。此外，采用此种系统配置，仅用双导线(输出和电路地)和双芯接插件即可实现IEPE 加速度传感器与信号适调电路的互连，双导线同时传输电源和输出信号。

图4-12 基于FET-BJT 电荷模式IEPE 传感器原理图

图4-12 中电荷放大器电路的第一级可基于两个类型FET，既可以是n 沟道JFET，也可以是n 沟道MOSFET。输出级是基于PNP 型双极型晶体管。有些设计在输入与输出间还可能有附加功能电路。电容C 形成对应放大器电荷模式的交流负反馈。

偏置电阻Rb 包含在由R2、R3 组成的阻性直流负反馈电路中，为FET 提供直流偏置电压和相应的放大器输出端偏置电压VB。VB与FET 的漏极饱和电流IDSS，以及栅源夹断电压VGS(off)有关，即使是同样型号的FET，这两个参数也有很大离散性。为了使VB电压处于放大器正常工作范围之内，改变电阻R2、R3 中任一只电阻或同时改变两只电阻的阻值，可调节FET 输入端的偏置电位和与之相应的放大器输出偏置电压。

2)基于集成运算放大器的电荷模式IEPE 加速度传感器

图4-13 所示为采用单电源供电、基于集成运算放大器电荷模式IEPE 加速度传感器配置。这类传感器输出与信号适调电路之间连接需要用三根导线和三芯接插件，分别是信号输出线、为运放供电正电压电源线和电路地线。

图4-13 基于集成运算放大器的电荷模式IEPE 加速度传感器的配置

若用双电源( ±)集成运算放大器，在传感器和信号适调电路之间需要四根导线和四芯接插件。基于集成运算放大器的电荷放大器也可以设计成两线制，但电路原理复杂很多，且需要使用比FET-BJT 电路结构更多的元器件。但是，基于集成运算放大器的电荷放大器也有其自身长处，因而也一直被用于特殊IEPE 加速度传感器的设计。其主要优点包括：低功耗(300 μW)、低预热时间(10 ms)。表4-3 所示为FET-BJT 电荷放大器和集成运算IEPE 加速度传感器的优缺点。

表4-3 采用FET-BJT 电荷放大器和集成运算IEPE 传感器的优缺点

3)电荷模式IEPE 加速度传感器传递函数、频率响应、灵敏度应用Laplace 变换，得出如图4-12 所示电路传递函数H(s)：

上述公式中Rin是放大器的输入电阻，τPE、τf、τ1 分别是电路RinCPE、反馈电路RinCf 和电路R1CPE定义的时间常数，得出频响特性的幅频特性AR 和相频特性PR 表达式如下：

实际上，

因此幅频特性和相频特性公式可以简化为

在传感器的工作频带内：

频率响应函数可以转变成电压增益Gv 的表达式：

电压增益Gv 单位是mV/mV 或V/V，通常用于电路性能测试和噪声分析。电荷增益Gq 为

利用电荷增益可推导出电荷模式IEPE 加速度传感器灵敏度Sq 表达式：(www.xing528.com)

电荷增益Gq 的单位是mV/pC，通常在规定的参考频率fR =100 Hz 检定。从灵敏度公式可以看出，电荷模式IEPE 加速度传感器的灵敏度Sq 取决于PE 传感器的电荷灵敏度QPE和电荷放大器的反馈电容Cf，而与PE 传感器电容CPE无关，这也是电荷模式IEPE 加速度传感器的主要优点之一。

电荷放大器反馈电路时间常数τf 决定幅频特性的低频下限-3 dB 截止频率fL-3 dB：

幅频特性高频-3 dB 截止频率fU-3 dB取决于时间常数τ1：

上限截止频率下降特性可在一定程度上抑制PE 传感器的谐振峰。在传感器的工作频带内电荷放大器对输入信号有180°的反向相移。为保持加速度传感器的正输出特性(以安装面朝向加速度基座为正向)，必须以产生附加180°相移的方式组装PE 传感器的压电元件。

2.电压模式IEPE 加速度传感器

图4-14 所示为基于FET-BJT 电压放大器的电压模式IEPE 加速度传感器配置。在实际应用中，电压放大器通常采用电压增益GSF≤1 的源极电压跟随器。实际上，基于直接耦合FET-BJT 电路不可能具备电压放大功能。电阻R1 和电容C1 组成跟随器的输入电路，R1C1 构成低通滤波器，可用于补偿PE 传感器谐振导致的传感器幅频响应特性在高频端的上翘。改变电容C1 可调整电压放大器电路增益Gv，也就是以此来调整电压模式IEPE 加速度传感器的最终灵敏度Sv。电压模式IEPE 加速度传感器的传递函数、频率响应和灵敏度分析如下：

图4-14 基于FET-BJT 电压放大器的电压模式IEPE 加速度传感器配置

根据图4-14 可以得出电压放大器传递函数H(jω)的表达式：

GSF和Rin分别代表FET-BJT 源极跟随器的增益和输入电阻，可以用幅值响应AR 和相位响应PR 确定电路的频率响应特性。对频率区域进行简化，即在远低于高频上限截止频率ωU-3dB 频率范围和远高于低频截止频率ωL-3dB 频率范围：

在低于高频上限截止频率的频率范围，传递函数H(jω)和与之相应的幅频响应AR 和相频响应PR 的表达式为

幅频特性AR 的-3 dB 低频下限截止频率fL-3 dB：

高于低频下限截止频率的频率范围，H(jω)和相应幅频特性AR 和相频响应PR 变成

幅频响应特性的-3 dB 高频上限截止频率fU-3dB：

在传感器的工作频带范围内：

可将幅频响应AR 变成电压放大器增益Gv 的表达式：

电压模式IEPE 加速度传感器的最终灵敏度Sv：

与电荷放大器不同，在传感器工作频带内电压放大器信号的相位移动为零。为了沿传感器主轴有正加速度输出，电压模式IEPE 传感器压电元件的极性必须与电荷模式IEPE 传感器相反。

与电荷模式IEPE 速度计一样，电压模式IEPE 加速度传感器也可以使用集成运算放大器设计内装电压放大器。当使用集成运算放大器时，传感器的幅频响应AR 和相频响应PR，以及上限和下限截止频率的表达式与上述推导出的结论一样。唯一需要提示的是用集成运算放大器的增益GOpAmp代替跟随器增益GSF。在使用集成运算放大器时，增益可以大于1，即GOpAmp ＞1，无论是选择FET-BJT 电路还是集成运算放大器电路作为电压模式IEPE 加速度传感器的内装电压放大器，电压模式IEPE 加速度传感器具有与表4-4 所列出的电荷模式IEPE 加速度传感器同样的优缺点。

表4-4 电荷模式和电压模式IEPE 加速度传感器的优缺点