壓電式傳感器簡介
壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。
壓電式傳感器的原理
壓電式傳感器由壓電傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路組成。壓電傳感元件是一種力敏感元件，凡是能夠變換為力的物理量，如應(yīng)力、壓力、振動、加速度等，均可進(jìn)行測量，由于壓電效應(yīng)的可逆性，壓電元件又常用作超聲波的發(fā)射與接收裝置。
壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。
某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化，同時在其表面有電荷產(chǎn)生，當(dāng)外力去掉后，表面電荷消失，這種現(xiàn)象稱為壓電正向效應(yīng)。
反之，在電介質(zhì)的極化方向施加交變電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場，電介質(zhì)變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱為壓電逆向效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。
1、壓電效應(yīng)機(jī)理分析
具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然的石英晶體、人造的壓電陶瓷等，現(xiàn)以石英晶體為例，說明壓電效應(yīng)機(jī)理。如圖1所示為石英晶體切片，石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。 坐標(biāo)軸定義如下：
X軸：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。
Y軸：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。
z軸：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。
硅離子有4個正電荷，氧離子有2個負(fù)電荷，一個硅離子和兩個氧離子交替排列。
2、結(jié)構(gòu)特性
?。?）沿Y軸方向作用拉力與沿X軸方向作用壓力，晶胞結(jié)構(gòu)變形相同，因而產(chǎn)生的電荷極性相同，同樣道理，沿X軸方向作用拉力與沿Y軸方向作用壓力而產(chǎn)生的電荷極性相同。
?。?）在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，當(dāng)沿X軸方向作用壓力FX時，在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生的電荷量為 Q＝d11FX
（3）如果沿Y軸方向作用壓力Fy時，電荷仍出現(xiàn)在與X軸相垂直的平面上，其電荷量為 Q＝d12 l/δ Fy ＝－d11 l/δ Fy
l 為石英晶片的長度； δ為晶片的厚度，d12為沿Y軸方向施力的壓電常數(shù)，由于石英晶體的軸對稱，所以d12＝-d11。負(fù)號表示所產(chǎn)生的電荷極性相反。
壓電式傳感器及應(yīng)用
等效電路
在壓電元件兩個電極表面進(jìn)行金屬蒸鍍形成金屬膜（兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體），因此，壓電元件實(shí)質(zhì)上是一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容量Ca為
必須指出，上述等效電路及其輸出電壓，只有在壓電元件本身理想絕緣、無泄漏、輸出端開路（即絕緣電阻Ra =RL=∞）條件下才成立。在構(gòu)成壓電式傳感器時，總要利用電纜將壓電元件接入測量電路。這樣，就引入了連接電纜的分布電容Cc，后續(xù)測量電路（測量放大器等）的輸入電阻Ri和輸入電容Ci等形成的負(fù)載阻抗影響；加之壓電元件并非理想器件，它內(nèi)部存在泄漏電阻Ra，則由壓電元件構(gòu)成傳感器的實(shí)際等效電路如圖8.2.2所示。
由此可見，壓電式傳感器只有在負(fù)載電阻無窮大、內(nèi)部無泄漏時，受力后產(chǎn)生的電壓（電荷）才能長期保存下來，若負(fù)載電阻不是無窮大，則電路就要以時間常數(shù)（Ra+Ri）（Ca+ Cc+ Ci）按指數(shù)規(guī)律放電，從而造成測量誤差。因此利用壓電式傳感器測量靜態(tài)量或準(zhǔn)靜態(tài)量時，必須采取措施（如極高阻抗負(fù)載等）防止電荷經(jīng)測量電路的漏失或使之減小到最低程度；而在動態(tài)測量時，電荷量可以不斷得到補(bǔ)充，故壓電式傳感器適宜于動態(tài)測量。而且，動態(tài)測量時，為了保持一定的輸出電壓和擴(kuò)展頻帶的低頻段，也必須提高回路的時間常數(shù)。常采用提高輸入阻抗Ri的方法來增大時間常數(shù)，使漏電造成的電壓降很小，不致造成顯著的測量誤差。
在實(shí)際應(yīng)用的壓電式傳感器中，為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，往往將兩個或兩個以上壓電晶片組合在一起使用。由于壓電晶片是有極性的，因此連接方式有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接，如圖8.2.3所示。
并聯(lián)連接：兩壓電元件的負(fù)極集中在中間極板上，正極在上下兩邊并連接在一起，此時電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，適用于測量緩變信號和以電荷為輸出的場合。
串聯(lián)連接：上極板為正極，下極板為負(fù)極，在中間是一個元件的負(fù)極與另一元件的正極相連接，此時輸出電壓大，電容小，時間常數(shù)校，適用于要求以電壓為輸出的場合，并要求測量電路有高的輸入阻抗。