压电式传感器简介
压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量威廉希尔官方网站 放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗威廉希尔官方网站 或电荷放大器来克服这一缺陷。
压电式传感器的原理
压电式传感器由压电传感元件和测量转换威廉希尔官方网站 组成。压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。
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基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。
某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时，内部会产生极化，同时在其表面有电荷产生，当外力去掉后，表面电荷消失，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，它会产生机械变形。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（电致伸缩效应）。
1、压电效应机理分析
具有压电效应的物质很多，如天然的石英晶体、人造的压电陶瓷等，现以石英晶体为例，说明压电效应机理。如图1所示为石英晶体切片，石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。 坐标轴定义如下：
X轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。
Y轴：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，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交替排列。
2、结构特性
（1）沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同，同样道理，沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。
（2）在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向作用压力FX时，在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为 Q＝d11FX
（3）如果沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上，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，由于石英晶体的轴对称，所以d12＝-d11。负号表示所产生的电荷极性相反。
压电式传感器及应用
等效威廉希尔官方网站
在压电元件两个电极表面进行金属蒸镀形成金属膜（两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体），因此，压电元件实质上是一个以压电材料为介质的电容器，其电容量Ca为
必须指出，上述等效威廉希尔官方网站 及其输出电压，只有在压电元件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路（即绝缘电阻Ra =RL=∞）条件下才成立。在构成压电式传感器时，总要利用电缆将压电元件接入测量威廉希尔官方网站 。这样，就引入了连接电缆的分布电容Cc，后续测量威廉希尔官方网站 （测量放大器等）的输入电阻Ri和输入电容Ci等形成的负载阻抗影响；加之压电元件并非理想器件，它内部存在泄漏电阻Ra，则由压电元件构成传感器的实际等效威廉希尔官方网站 如图8.2.2所示。
由此可见，压电式传感器只有在负载电阻无穷大、内部无泄漏时，受力后产生的电压（电荷）才能长期保存下来，若负载电阻不是无穷大，则威廉希尔官方网站 就要以时间常数（Ra+Ri）（Ca+ Cc+ Ci）按指数规律放电，从而造成测量误差。因此利用压电式传感器测量静态量或准静态量时，必须采取措施（如极高阻抗负载等）防止电荷经测量威廉希尔官方网站 的漏失或使之减小到最低程度；而在动态测量时，电荷量可以不断得到补充，故压电式传感器适宜于动态测量。而且，动态测量时，为了保持一定的输出电压和扩展频带的低频段，也必须提高回路的时间常数。常采用提高输入阻抗Ri的方法来增大时间常数，使漏电造成的电压降很小，不致造成显著的测量误差。
在实际应用的压电式传感器中，为提高灵敏度使表面有足够的电荷，往往将两个或两个以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶片是有极性的，因此连接方式有两种：并联连接和串联连接，如图8.2.3所示。
并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，时间常数大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。
串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一个元件的负极与另一元件的正极相连接，此时输出电压大，电容小，时间常数校，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量威廉希尔官方网站 有高的输入阻抗。