压电式传感器简介
压电式传感器是根据压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转化式传感器。它的灵敏元件由压电资料制成。压电资料受力后外表发生电荷。此电荷经电荷放大器和丈量电路放大和改换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于丈量力和能改换为力的非电物理量。它的长处是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简略、作业牢靠和重量轻等。缺点是某些压电资料需求防潮办法，并且输出的直流呼应差，需求选用高输入阻抗电路或电荷放大器来战胜这一缺点。
压电式传感器的原理
压电式传感器由压电传感元件和丈量转化电路组成。压电传感元件是一种力灵敏元件，但凡能够改换为力的物理量，如应力、压力、振荡、加速度等，均可进行丈量，因为压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接纳设备。
压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为根底，外力效果下在电介质外表发生电荷，然后完成非电量丈量。
某些电介质在沿必定方向上遭到力的效果而变形时，内部会发生极化，一起在其外表有电荷发生，当外力去掉后，外表电荷消失，这种现象称为压电正向效应。
反之，在电介质的极化方向施加交变电场，它会发生机械变形。当去掉外加电场，电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应（电致弹性效应）。
1、压电效应机理剖析
具有压电效应的物质许多，如天然的石英晶体、人工的压电陶瓷等，现以石英晶体为例，阐明压电效应机理。如图1所示为石英晶体切片，石英的晶体结构为六方晶系统，化学式为SiO2。 坐标轴界说如下：
X轴：两平行柱面内夹角等分线，笔直此轴压电效应最强。称为电轴。
Y轴：笔直于平行柱面，在电场效果下变形最大，称为机械轴。
z轴：无压电效应，中心轴，也称光轴。
硅离子有4个正电荷，氧离子有2个负电荷，一个硅离子和两个氧离子替换摆放。
2、结构特性
（1）沿Y轴方向效果拉力与沿X轴方向效果压力，晶胞结构变形相同，因而发生的电荷极性相同，相同道理，沿X轴方向效果拉力与沿Y轴方向效果压力而发生的电荷极性相同。
（2）在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向效果压力FX时，在与X轴笔直的平面上发生的电荷量为 Q＝d11FX
（3）假如沿Y轴方向效果压力Fy时，电荷仍出现在与X轴相笔直的平面上，其电荷量为 Q＝d12 l/δ Fy ＝－d11 l/δ Fy
l 为石英晶片的长度； δ为晶片的厚度，d12为沿Y轴方向施力的压电常数，因为石英晶体的轴对称，所以d12＝-d11。负号表明所发生的电荷极性相反。
压电式传感器及运用
等效电路
在压电元件两个电极外表进行金属蒸镀构成金属膜（两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体），因而，压电元件实质上是一个以压电资料为介质的电容器，其电容量Ca为
有必要指出，上述等效电路及其输出电压，只要在压电元件自身抱负绝缘、无走漏、输出端开路（即绝缘电阻Ra =RL=∞）条件下才建立。在构成压电式传感器时，总要运用电缆将压电元件接入丈量电路。这样，就引入了衔接电缆的分布电容Cc，后续丈量电路（丈量放大器等）的输入电阻Ri和输入电容Ci等构成的负载阻抗影响；加之压电元件并非抱负器材，它内部存在走漏电阻Ra，则由压电元件构成传感器的实践等效电路如图8.2.2所示。
由此可见，压电式传感器只要在负载电阻无穷大、内部无走漏时，受力后发生的电压（电荷）才干长时间保存下来，若负载电阻不是无穷大，则电路就要以时间常数（Ra+Ri）（Ca+ Cc+ Ci）按指数规则放电，然后形成丈量误差。因而运用压电式传感器丈量静态量或准静态量时，有必要采纳办法（如极高阻抗负载等）避免电荷经丈量电路的漏失或使之减小到最低程度；而在动态丈量时，电荷量能够不断得到弥补，故压电式传感器适宜于动态丈量。并且，动态丈量时，为了坚持必定的输出电压和扩展频带的低频段，也有必要进步回路的时间常数。常选用进步输入阻抗Ri的方法来增大时间常数，使漏电形成的电压降很小，不致形成明显的丈量误差。
在实践运用的压电式传感器中，为进步灵敏度使外表有满足的电荷，往往将两个或两个以上压电晶片组合在一起运用。因为压电晶片是有极性的，因而衔接方法有两种：并联衔接和串联衔接，如图8.2.3所示。
并联衔接：两压电元件的负极会集在中心极板上，正极在上下两头并衔接在一起，此刻电容量大，输出电荷量大，时间常数大，适用于丈量缓变信号和以电荷为输出的场合。
串联衔接：上极板为正极，下极板为负极，在中心是一个元件的负极与另一元件的正极相衔接，此刻输出电压大，电容小，时间常数校，适用于要求以电压为输出的场合，并要求丈量电路有高的输入阻抗。
