PE传感器与IEPE传感器的对比分析

传统压电(PE)传感器，是业界熟知的振动和冲击测试常用的传感器。与IEPE 传感器相比，无内装电路的传统PE 加速度传感器有很深的历史背景。在20世纪60年代开始将电子电路置入PE 传感器内之前，PE 加速度传感器已经有很长的研究、设计、制造和应用历史。

图4-10 所示为PE 加速度传感器测量系统的工作原理图。PE 加速度传感器输出电荷信号到信号适调电路的电荷或电压放大器，与IEPE 内所采用的放大器一样，该电荷或电压放大器也都以FET 作为输入级，以BJT 作为输出级，主要功能是将PC 量级电荷信号转换为mV 量级电压信号，然后再由信号适调电路对电压信号进一步放大和处理。为了消除测量系统环境噪声影响，通常在PE 加速度传感器与信号适调电路之间，采用低噪声同轴电缆来传输PE 加速度传感器输出的高阻抗电信号。

图4-10 传统PE 加速度传感器测量系统的工作原理图

从图4-10 可以看出，在PE 传感器的输出端与放大器输入端之间，同轴电缆工作在高阻抗区。与IEPE 加速度传感器相比，PE 传感器与电子电路相互独立的系统配置方式需要附加连接接口，导致系统噪声增大、动态范围降低、可靠性降低、成本增大，影响信号质量。工作在高阻抗区的同轴电缆会产生低频静电噪声，该噪声通常低于100 Hz。

静电噪声来自机电效应现象，是发生在电缆中心导线与屏蔽层间的电荷波动，当电缆受到弯曲、冲击或机械应力扰动时，在电缆某点导体与绝缘体瞬间分离产生电荷移动。当电缆连接在低输入阻抗仪器上时，此噪声电平可以忽略不计，但在高阻抗区静电噪声将会产生严重影响。静电噪声降低了PE 传感器测量低频微弱动态信号获取的能力，压缩了传感器的动态范围。为了减轻静电噪声的影响，在PE 传感器与信号适调电路之间必须使用特制的低噪声同轴电缆，但这种电缆也不能完全消除静电噪声。与IEPE 传感器所使用低成本常规同轴电缆相比，这种特制低噪声同轴电缆成本要高很多。

高阻抗电缆的另一个缺点是对电磁干扰(EMI)高度敏感。空间电磁波穿透电缆保护层，通过接地导线(地回路)形成干扰，高阻抗电缆比IEPE 传感器用的低阻抗电缆更易形成接地回路干扰。高阻抗电缆长度通常不能超过30 m。为了减轻电磁干扰和接地回路的影响，可采用差动PE 传感器配合差动电荷放大器组成测量系统。但这种测量方式依然难以达到IEPE 加速度传感器所具有的低噪声、抗电磁和接地回路干扰的水平。(www.xing528.com)

需要使用长电缆时可用远程电荷变换器串接在PE 加速度传感器与信号适调电路之间。如图4-11 所示，PE 加速度传感器配接远程电荷变换器和信号适调电路的测量系统框图。远程电荷变换器实际上是与IEPE 加速度传感器的内装电荷放大器有同样功能的独立单元，其主要功能是将PE 传感器输出的高阻抗电荷信号转换成低阻抗电压信号。远程电荷变换器输出的电压信号通过低阻抗电缆或其他类型屏蔽电缆连接到信号适调电路。

图4-11 传统PE 传感器配远程电荷变换器系统框图

传统PE 传感器的优点是不需要外接供电电源，且比IEPE 加速度传感器有更高的工作温度。有些压电材料能允许PE 传感器工作在650℃，甚至900℃高温环境。理论上讲PE 加速度传感器还有动态范围大的特性，但由于需要使用有限动态范围的信号适调仪或远程电荷变换器中的电荷放大器，优点受限。IEPE 传感器与传统PE 传感器的优缺点的比较如表4-2 所示。

表4-2 IEPE 传感器与PE 传感器的优缺点的比较