PCB中的压电传感器和换能器

从电池供电的手表到电子打火机，压电元件在许多设备中发挥着重要作用，尤其是作为数字电路中的时钟。所有用于电子系统的传感器都有一个共同的特点:它们将某种类型的物理干扰转化为电信号。随着技术的进步，人们正在为各种测量开发更复杂的传感器，但压电传感器和换能器仍然存在。

压电传感器和换能器

除了光学测量外，许多动态测量都是通过检查压电传感器的输出来收集的。这些传感器坚固耐用，可以承受非常高的温度，同时对环境变量的变化非常敏感。它们也有各种尺寸的制造，使它们适合安装在PCB上或作为一个包装单元，用铜线连接到板上。

在最简单的意义上，压电材料被用作传感器，将施加的机械负载转换为电场，然后可以测量电压。然后可以通过板上的模拟数字转换器(ADC)将该电压转换为数字数据。然后，您可以使用等效的数字来进行一些计算并确定一些物理量。

在振荡机械振动的情况下，输出电压也以与机械振动相同的频率振荡。这里重要的一点是，任何振动的机械膜，包括压电晶体，都有一个固有频率的频谱，而不仅仅是一个单一的共振。

此外，由压电元件形成的等效电子电路具有多个谐振频率和反谐振频率。如果你想在你的电路板上使用压电元件作为换能器，它可以在多个共振频率下被激发。

当对元件施加机械载荷时，响应谱中的频率将漂移到不同的值，并且这种漂移的大小与所施加的载荷成正比。这种共振的变化被用来收集非常敏感的生物和化学测量，因为振动振幅的变化在共振附近是非常敏感的。

当使用压电换能器时，你需要考虑这个频率响应。在恒定电压下改变输入交流信号的频率，最终会导致换能器的声学振动在接近共振或反共振时发生非线性变化。出于这个原因，如果你想让你的换能器在线性范围内响应，你应该注意频率响应。

在设计中适当地使用传感器和换能器有助于提高设备的精度

在PCB上放置压电元件

这里要做的第一点是选择合适类型的压电元件用于您的设备。陶瓷压电元件成本较低，灵敏度可达到压电晶体(即石英)的两个数量级，但它们的灵敏度随着时间的推移而降低，特别是在较高的温度下。晶体具有更好的长期稳定性，是高温测量的更好选择。

如果你想使用压电换能器来测量特定频率的振动，你应该尝试选择一个谐振与你想测量的特定频率相匹配的压电换能器。然后，您可以在电路板中使用带通滤波器来删除其他频率的响应。

如果测量的是一个频率范围，可用范围将位于第一个反共振和第一个共振之间。你应该使用在第一个反共振(频率较低)附近有截止点的高通滤波器和在第一个共振附近有截止点的低通滤波器来控制响应范围。该传感器的响应对负载的变化具有良好的线性关系，而对于恒定负载的应用频率的变化则是平坦的。这使得两个量在测量时很容易分开。

就像放置石英晶体振荡器产生时钟信号一样，你应该避免将压电元件本身直接放置在地平面之上，因为这会产生一个中心馈电贴片天线。这就增加电磁干扰敏感性特别是地平面的共振频率。压电传感器通常连接到放大器，因此传感器输出中的任何噪声也会被放大;你应该试着清除这些信号尽可能多。一些电路设计人员将使用顺序的高、低通滤波来将通带调整到正确的频率范围。

石英振荡器:一种常见的压电器件

最后，压电元件的输出阻抗非常高(通常为1 MOhm)，因此应在负载时使用阻抗匹配电路，以便最大限度地将功率传输进/出元件。有几个选项来匹配源阻抗和负载阻抗，一个是线性双端口匹配网络。一些例子可以在研究文献．

压电元件也有内部介电损耗，即电信号以热的形式消散。晶体的介电损耗很低，因此热管理不太受关注。对于陶瓷，介电损耗要高得多，所以设计师应该使用某种形式的热管理比如热垫或散热片。

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