一種新型高性能IEPE加速度傳感器

徐寶峰

(江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司，江蘇揚(yáng)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(hào)轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓信號(hào)。電壓放大電路部分產(chǎn)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(chǎn)生的噪聲

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

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(jí)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(tài)下，MOS 管的柵極是沒有電流流過的，但是實(shí)際卻有nA 級(jí)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(fù)載，則可得：

從上述公式可以得到,MOS 管的柵極漏電流IGSS對(duì)于柵極電流噪聲有很大的比重。因此在選擇MOS 管型號(hào)的時(shí)候，必須選擇超低IGSS。本設(shè)計(jì)方案選擇的是BSS84,其IGSS在常溫下為10nA,在眾多小信號(hào)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(jié)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(dá)為:

圖1 IEPE 傳感器的原理框圖

2 頻率響應(yīng)

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

圖2 三角剪切組裝結(jié)構(gòu)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(yīng)曲線擬合出最終的IEPE 傳感器的頻率響應(yīng)曲線。

電路的高頻上限頻率點(diǎn)：

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

電路的低頻下限頻率點(diǎn)：

式中，Rb取1GΩ，R2取1MΩ，R3取75KΩ，Cf取330pF。由此可以計(jì)算出fl=0.03Hz。圖3 為實(shí)際測(cè)試的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。在20KHz 時(shí)，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(zhuǎn)折頻率。

圖3 IEPE 傳感器頻率響應(yīng)

3 溫度性能

3.1 偏置電壓Vbias

普通工業(yè)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(chǎng)合，比如鼓風(fēng)機(jī)、電機(jī)等高溫場(chǎng)合，這就要求傳感器24h 不間斷工作在80～110℃，偏置電壓Vbias的穩(wěn)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(wěn)定。

影響偏置電壓最關(guān)鍵的是MOS 管的柵極-源極之間的漏電流IGSS。環(huán)境溫度20℃時(shí)，IGSS約10nA 左右，隨著溫度的身高升高，IGSS將會(huì)成指數(shù)級(jí)增長。當(dāng)溫度達(dá)到150℃時(shí)，達(dá)到0.1uA 左右，這導(dǎo)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(huì)變小，MOS 管將由飽和區(qū)變成可變電阻區(qū)，最終導(dǎo)致偏置電壓Vbias降低。如果Vbias降低到閾值，那么Q3 的VTG將會(huì)低于0.8V，進(jìn)一步惡化傳感器電路的直流靜態(tài)工作點(diǎn)。其中VTG為

式中，VGS：偏置電壓Vbias給前級(jí)電荷電路Q3 的柵極提供的直流靜態(tài)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(gè)數(shù)量級(jí)，那么偏置電壓Vbias在高溫下將會(huì)明顯改善，但是將會(huì)影響傳感器的低頻下限lf。針對(duì)這種矛盾，設(shè)計(jì)出了前級(jí)電荷型+后級(jí)電壓型電路方案。既可以做到高溫下傳感器135℃穩(wěn)定工作，同時(shí)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(gè)核心單元就是壓電轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)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(dá)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(jié)合這三種材料的優(yōu)缺點(diǎn)和本傳感器的特點(diǎn)，我們選用PZT(鋯鈦酸鉛)作為壓電轉(zhuǎn)換元件。

普通工業(yè)類IEPE 傳感器的靈敏度-40～85℃范圍內(nèi)，變化±10%。該傳感器在-55～135℃范圍內(nèi)，靈敏度變化±5%，性能優(yōu)異。圖5 為在高低溫試驗(yàn)箱中監(jiān)測(cè)傳感器靈敏度的數(shù)據(jù)。

圖5 傳感器靈敏度隨溫度變化曲線圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型IEPE 加速度傳感器，該傳感器具有超低噪聲、寬動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)范圍、寬工作溫度范圍的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。該IEPE 加速度傳感器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中效果很好，在振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。