【導讀】在zai之zhi前qian的de文wen章zhang中zhong，我wo們men討tao論lun了le需xu要yao具ju有you高gao輸shu入ru阻zu抗kang的de放fang大da器qi才cai能neng成cheng功gong地di從cong壓ya電dian傳chuan感gan元yuan件jian中zhong提ti取qu加jia速su度du信xin息xi。對dui於yu一yi些xie壓ya電dian加jia速su度du計ji
，放fang大da器qi內nei置zhi在zai傳chuan感gan器qi外wai殼ke中zhong。

在zai之zhi前qian的de文wen章zhang中zhong
，我wo們men討tao論lun了le需xu要yao具ju有you高gao輸shu入ru阻zu抗kang的de放fang大da器qi才cai能neng成cheng功gong地di從cong壓ya電dian傳chuan感gan元yuan件jian中zhong提ti取qu加jia速su度du信xin息xi。對dui於yu一yi些xie壓ya電dian加jia速su度du計ji
，放fang大da器qi內nei置zhi在zai傳chuan感gan器qi外wai殼ke中zhong。

縮寫 IEPE 是集成電子壓電的縮寫，用於將這些壓電傳感器與那些沒有內置電子器件的傳感器區分開來。IEPE 傳感器的輸出是低阻抗電壓信號，而沒有內置電子元件的壓電傳感器隻能產生電荷輸出。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

，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

記住這個數字，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間常數。

傳感元件

雖然石英和壓電陶瓷晶體都可用於電壓模式 IEPE
，但石英傳感元件自然更適合電壓模式信號調節，因為它們具有較低的電容並針對給定的電荷量產生較大的電壓（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於電壓模式 IEPE 傳感器。

放大器配置

如圖 1 所示
，放大器的級包含一個場效應晶體管 (FET)，以yi化hua放fang大da器qi的de輸shu入ru電dian阻zu並bing避bi免mian為wei傳chuan感gan器qi產chan生sheng的de電dian荷he創chuang建jian泄xie漏lou路lu徑jing。在zai輸shu出chu級ji，放fang大da器qi采cai用yong雙shuang極ji晶jing體ti管guan來lai提ti高gao線xian路lu驅qu動dong能neng力li。在zai上shang圖tu中zhong，放fang大da器qi是shi單dan位wei增zeng益yi源yuan極ji跟gen隨sui器qi配pei置zhi。晶jing體ti管guan的de源yuan極ji端duan子zi以yi及ji電dian路lu接jie地di端duan子zi從cong傳chuan感gan器qi外wai殼ke引yin出chu，通tong過guo同tong軸zhou電dian纜lan連lian接jie到dao電dian源yuan單dan元yuan。IEPE 傳感器的動力裝置將在另一篇文章中進行探討。

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) 也出現在單位增益放大器的輸出端。無激勵輸出的直流值通常在 8 V 至 12 V 範圍內。 

放電時間常數

傳感器產生的電荷出現在電容器兩端，可以通過 FET 晶體管柵極“可見”的電阻逐漸泄漏。該節點的總電阻乘以總電容決定了放電時間常數。

正如我們在之前有關電荷放大器的文章中所討論的那樣，放電時間常數決定了放大器的準靜態行為。圖 2(b) 顯示了當輸入在足夠長的時間內保持恒定時，有限的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Kistler提供

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PCB Piezotronics提供

電荷模式 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限製其在電荷模式 IEPE 中的用途。這就是陶瓷傳感元件更常用於充電模式 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均通過標準同軸電纜或雙芯電纜從傳感器引出。 

IEPE 傳感器的動態範圍

沒有激勵的 IEPE 傳感器輸出端的直流值通常在 8 V 至 12 V 範圍內。但是，此直流電壓會隨溫度和電源單元提供的電源電流而變化。輸出的實際測量 DC 值在每個設備隨附的校準證書上。圖 4 說明了典型 IEPE 傳感器的動態範圍。 

圖 4. 顯示 IEPE 傳感器動態範圍的圖表。圖片由MMF提供

輸shu出chu電dian壓ya始shi終zhong為wei正zheng，上shang限xian由you功gong率lv單dan元yuan的de供gong電dian電dian壓ya決jue定ding。另ling一yi方fang麵mian，下xia限xian由you放fang大da器qi參can數shu決jue定ding。超chao出chu此ci範fan圍wei，我wo們men將jiang得de到dao如ru上shang圖tu所suo示shi的de截jie斷duan波bo形xing。請qing記ji住zhu

，這zhe些xie電dian壓ya水shui平ping可ke能neng因yin製zhi造zao商shang而er異yi。

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）下的動態範圍。

圖 5. IEPE 傳感器示例的動態範圍。圖片由PCB Piezotronics提供

在此圖中，實線代表預期輸出
，而陰影曲線代表 V s1 = 24 VDC 和 V s2 = 18 VDC的實際輸出。在此示例中，輸出的直流值為 V B = 10 V。來自 PCB 的此 IEPE 加速度計的下限約為 2 V。此傳感器的上限比所用電源電壓低 1 V。需要這個 1 V 壓降來保持功率單元內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 伏的範圍內。 

如圖所示
，電源電壓為 V s2 = 18 V，輸出被削波為 V E2 = 17 V。這可以通過將電源電壓增加到 V s1 = 24 V 來解決
，給出 V 的上限E1 = 23 伏。 

線性限製導致的擺幅範圍

應該注意的是
，傳感器可能無法一直線性運行到正軌。如圖 5 所示，即使 V s1 = 24 V，當dang輸shu出chu接jie近jin正zheng軌gui時shi，傳chuan感gan器qi也ye會hui由you於yu線xian性xing限xian製zhi而er偏pian離li預yu期qi曲qu線xian。為wei確que保bao傳chuan感gan器qi能neng夠gou產chan生sheng準zhun確que的de結jie果guo，除chu了le電dian源yuan電dian壓ya的de擺bai幅fu限xian製zhi外wai，我wo們men還hai需xu要yao考kao慮lv器qi件jian指zhi定ding的de擺bai幅fu範fan圍wei。

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，假設傳感器的擺幅為 ±10 V。這就是為什麼該區域高 10 V比偏置電壓 VB = 10 V 指定為非線性區域。當 Vs2 = 18 V 時
，由於電源電壓的限製，正方向的擺幅限製為 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並實現 10 V 的正擺幅。但是，兩種電源選項的負擺幅均由低 2 V 決定限製
，為此示例提供 8 V 的負擺幅。 

在下一篇文章中，我們將查看可用於為 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點和局限性。

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