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2023-08-30
压电式传感器的工作原理解析
【摘要】：当压电式传感器中的压电元件承受外力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反，但电量相等的电荷。因此，压电式传感器不适合于静态测量，而适合动态测量。根据压电式传感器的等效电路，它输出的既可以是电荷，又可以是电压。
当压电式传感器中的压电元件承受外力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反，但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电荷发生器。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器。
如图3-18所示，压电式传感器工作表面上所产生的电荷q及传感器的固有电容aC为
图3-18 压电式传感器示意图
式中，D为压电系数，与压电材料及切片方向有关；F为外部作用力；ε为压电材料的相对介电常数；0ε为真空的介电常数；δ为压电晶片的厚度；A为极板面积。
当引出端开路时，电容器上的电压、电荷、电容之间的关系为
1.压电式传感器的等效电路
如图3-19（a）、（b）所示，压电式传感器可等效为电荷源q和一个电容器Ca的并联电路；也可等效为一个电压源e和一个电容器Ca的串联电路。
压电式传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri，输入电容Ci，以及压电传感器的泄漏电阻Ra。压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图3-19（c）所示。图3-19（d）是简化的实际等效电路，其中R=Ra||Ri，C=Ca||Cc||Ci=Ca+Cc+Ci。
图3-19 压电式传感器的等效电路
传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电式传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。因此，压电式传感器不适合于静态测量，而适合动态测量。
2.压电式传感器的测量电路
由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出信号很小，它的测量电路常常需要接入高输入阻抗的前置放大器。其作用一是把它的高输入阻抗（一般1000 MΩ 以上）变换为低输入阻抗（小于100 Ω）；二是对传感器输出的微弱信号进行放大。根据压电式传感器的等效电路，它输出的既可以是电荷，又可以是电压。所以，连接的放大电路有两种形式：一种是电压放大器；另一种是电荷放大器。
1）电压放大器
如图3-20所示，电压放大器为一开环放大器，放大器的输出为
图3-20 电压放大器
当ω→0时，eo(t)→0，因此，不适合于静态或低频信号的转换。
当
输出为与输入f(t)=Fm sin ωt同频、同相位的正弦信号，但幅值相差了
倍（满足不失真测试条件）。因此，电压放大器适合于高频信号的转换。
2）电荷放大器
如图3-21所示，电荷放大器（fC为反馈电容）采用了闭环负反馈技术来增大放电时间常数，使系统能够对低频甚至静态参数进行不失真测试。根据电路关系，有
由于运算放大器的开环增益K很大（104~105），所以(K+1)Cf ＞＞C ，K+1≈K，故
图3-21 电荷放大器
电荷放大器的输出正比于传感器上所产生的电荷，即正比于作用在压电传感器上的力，与电路参数基本无关。
压电传感器配接电荷放大器可以实现对高频、低频乃至静态参数的不失真测试，且输出基本不受电缆电容变化的影响。
3.压电式传感器的连接方式
压电式传感器中，为了提高灵敏度，通常采用两片或两片以上压电材料黏合在一起。因为电荷的极性关系，电元件有串联和并联两种接法。
图3-22（a）为并联，Ca=2Ca，q′=2q，e′=e，电荷灵敏度提高了一倍，适用于测量缓慢变化的信号，并以电荷为输出量，通常用于后接电荷放大器。
图3-22（b）为串联，
电压灵敏度提高了一倍，适用于测量电路有高输入阻抗，并以电压为输出量，通常用于后接电压放大器。
图3-22 压电晶片的串、并联
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