一種新型高性能IEPE加速度傳感器

徐寶峰

(江蘇聯能電子技術有限公司，江蘇揚州，225007)

1 工作原理

該IEPE 加速度傳感器由壓電傳感器、電荷放大電路、電壓放大電路三部分組成。電荷放大電路部分是將壓電陶瓷的高輸出阻抗的電荷信號轉換成低阻抗的電壓信號。電壓放大電路部分產生偏置電壓Vbias，電荷放大電路與電壓放大電路通過電容耦合。

1.1 偏置電阻產生的噪聲

IEPE 電路中，MOS 管的偏置電阻Rb與反饋電容Cf并聯。偏置電阻噪聲除了與Rb之外，還與電路的放大倍數相關。

從上述公式可以得到，增大Rb和Cp的值，可以減小偏置電阻噪聲。R b通常是GΩ 級別的阻值，本電路中，R b取1GΩ。在1Hz 的頻率下，nR約為

1.2 柵極電流噪聲

理想的狀態下，MOS 管的柵極是沒有電流流過的，但是實際卻有nA 級別的柵極漏電流IGSS存在，這就是柵極電流噪聲的來源。由于輸入端是高阻抗的容性負載，則可得：

從上述公式可以得到,MOS 管的柵極漏電流IGSS對于柵極電流噪聲有很大的比重。因此在選擇MOS 管型號的時候，必須選擇超低IGSS。本設計方案選擇的是BSS84,其IGSS在常溫下為10nA,在眾多小信號處理的MOS 管中是非常小的。在1Hz 的頻率下，n l約為

1.3 傳感器電路總噪聲

結合PE 傳感器與電路部分的噪聲，IEPE 加速度傳感器的總噪聲可表達為:

圖1 IEPE 傳感器的原理框圖

2 頻率響應

IEPE 類加速度傳感器的頻率響應的優劣主要取決于壓電陶瓷的組裝結構及與外殼的組裝方式。該傳感器采用三角剪切的組裝結構，具有很好的頻率響應特性。除此之外，三角剪切的組裝結構還擁有低基座應變靈敏度、低熱釋電效應靈敏度和良好的溫度穩定性。圖3.1 為該結構的結構形式圖。

圖2 三角剪切組裝結構示意圖（自制）

為了拓展PE 傳感器的高頻上限頻率，電荷放大器的輸入端采用低通濾波器(R1、C1)來與PE 傳感器的頻率響應曲線擬合出最終的IEPE 傳感器的頻率響應曲線。

電路的高頻上限頻率點：

式中，R1取47KΩ，C1取180pF。由此可以計算出fh=18,822Hz。

電路的低頻下限頻率點：

式中，Rb取1GΩ，R2取1MΩ，R3取75KΩ，Cf取330pF。由此可以計算出fl=0.03Hz。圖3 為實際測試的頻率響應數據。在20KHz 時，增益為+0.8dB。有效的拓寬了傳感器的頻帶寬度，提高了高頻上限轉折頻率。

圖3 IEPE 傳感器頻率響應

3 溫度性能

3.1 偏置電壓Vbias

普通工業類IEPE 傳感器的工作溫度-40～85℃，偏置電壓Vbias為8～14VDC。一些高溫場合，比如鼓風機、電機等高溫場合，這就要求傳感器24h 不間斷工作在80～110℃，偏置電壓Vbias的穩定性尤其重要。倘若偏置電壓Vbias降低到8V 以下，傳感器的輸出將不穩定。

影響偏置電壓最關鍵的是MOS 管的柵極-源極之間的漏電流IGSS。環境溫度20℃時，IGSS約10nA 左右，隨著溫度的身高升高，IGSS將會成指數級增長。當溫度達到150℃時，達到0.1uA 左右，這導致柵極漏極的的電流GSSI可被忽略。IGSS的存在流過偏置電阻Rb，那么MOS 管的有效工作電壓VTG將會變小，MOS 管將由飽和區變成可變電阻區，最終導致偏置電壓Vbias降低。如果Vbias降低到閾值，那么Q3 的VTG將會低于0.8V，進一步惡化傳感器電路的直流靜態工作點。其中VTG為

式中，VGS：偏置電壓Vbias給前級電荷電路Q3 的柵極提供的直流靜態電壓。

VGS(th)：MOS 管的柵源開啟閾值電壓，通常在0.8V～1.5V。

倘若偏置電阻Rb減小一個數量級，那么偏置電壓Vbias在高溫下將會明顯改善，但是將會影響傳感器的低頻下限lf。針對這種矛盾，設計出了前級電荷型+后級電壓型電路方案。既可以做到高溫下傳感器135℃穩定工作，同時也能兼顧到超低頻0.05Hz。

圖4 偏置電壓Vbias 隨溫度變化曲線圖

3.2 靈敏度S

除了電路，影響IEPE 壓電傳感器靈敏度的另一個核心單元就是壓電轉換元件。當前主流的壓電材料有石英晶體、PZT(鋯鈦酸鉛)、BST(鈦酸鍶鋇)。

PZT(鋯鈦酸鉛)晶體工作溫度能夠達到280℃左右。PZT 晶體相比石英晶體，電荷靈敏度Qp高很多，適合使用在高靈敏度輸出的IEPE 傳感器中。PZT 晶體電荷靈敏度Qp的溫度特性在120℃的條件下，電荷靈敏度Qp變化6%左右。結合這三種材料的優缺點和本傳感器的特點，我們選用PZT(鋯鈦酸鉛)作為壓電轉換元件。

普通工業類IEPE 傳感器的靈敏度-40～85℃范圍內，變化±10%。該傳感器在-55～135℃范圍內，靈敏度變化±5%，性能優異。圖5 為在高低溫試驗箱中監測傳感器靈敏度的數據。

圖5 傳感器靈敏度隨溫度變化曲線圖

4 結語

本文設計了一種新型IEPE 加速度傳感器，該傳感器具有超低噪聲、寬動態頻率響應范圍、寬工作溫度范圍的優點，達到了國際先進水平。該IEPE 加速度傳感器在工業現場實際應用中效果很好，在振動檢測領域具有較高的應用價值。