1.压电式传感器的结构

压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有外力作用在压电元件上时，传感器就有电荷（或电压）输出。由于外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，故要求测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。如果压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。

考虑到单片压电元件产生的电荷量甚微，输出电量很少，因此在实际使用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件组合在一起。因为压电材料产生的电荷是有极性的，所以压电元件的接法有两种，如图5-5所示。

图5-5　压电元件的连接方式

图5-5（a）是两个压电片的负端粘接在一起，中间插入的金属电极作为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联，所以，电容量增加了1倍，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，输出电压与单片时相同，即有C′＝2C，Q′＝2Q，U′＝U。

图5-5（b）是两压电片不同极性端粘接在一起，从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的1/2，输出电压增大了1倍，即有Q′＝Q，C′＝C/2，U′＝2U。

由上可见，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适用于测量慢变信号、且以电荷作为输出量的场合；串联接法输出电压大，本身电容小，适用于以电压作输出信号、且测量电路输入阻抗很高的场合。

压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其变形方式大致有厚度变形、长度变形、体积变形、面积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图5-6所示。最常用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。

图5-6　压电元件的变形方式

2.等效电路和测量电路

（1）等效电路

当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，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发生器，也可视为两极板上聚集异性电荷、中间为绝缘体的电容器，其电容量为

式中，S为极板（压电片）的面积；εr、ε0为压电材料的相对介电常数和空气的介电常数；δ为压电片的厚度。

当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压U为(www.daowen.com)

因此，把压电元件等效为一个电流源Q和一个电容Ca并联的等效电路，如图5-7（a）所示，也可以等效为一个电压源U和一个电容Ca串联的等效电路，如图5-7（b）所示。

图5-7　压电元件的等效电路

在实际使用压电式传感器时，总是与二次仪表配套或与测量电路相连，因此就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，以及传感器的泄漏电阻Ra。这样压电式传感器的实际等效电路如图5-8所示。

图5-8　压电式传感器的实际等效电路图

（2）测量电路

压电式传感器本身的阻抗很高，而输出能量较小，为了使压电元件能正常工作，它的测量电路需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，主要有两个作用：一是放大压电元件的微弱电信号；二是把高阻抗输入变换为低阻抗输出。

根据压电式传感器的等效电路，它的输出信号可以是电压也可以是电荷，因此，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。

①电压放大器。压电式传感器接到电压放大器的等效电路如图5-9所示。其中，图5-9（b）是图5-9（a）的简化电路。由于前置电压放大器在改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，Ui也随之变化，从而使前置放大器的输出电压U0＝AUi也发生变化，因此传感器与前置放大器的组合系统输出电压与电缆电容有关，所以目前多采用电荷放大器。

②电荷放大器。电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路，它的输入信号为压电传感器产生的电荷。当略去漏电阻，并认为Ri趋于无限大时，它的等效电路如图5-10所示。电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。

图5-9　电压放大器电路原理及其等效电路图

图5-10　电荷放大器等效电路图