書接上文，本期我們將繼續(xù)介紹聲學(xué)傳感器。往期系列文章鏈接如下：

• 這些聲學(xué)術(shù)語，你真的都懂了嗎？

• 傳聲器術(shù)語，你了解多少？

AC、DC和ICP型傳感器

耦合（Coupling）是指借有物理接觸的形式與兩種（或多種）介質(zhì)間實現(xiàn)能量的傳遞，如電能通過導(dǎo)線在不同的終端設(shè)備進行傳遞。

AC（Alternating Current，交流）耦合是一種將兩個電路或信號通路連接在一起的方法，傳感器通過交流電進行工作，通過一個電容器或電感器來阻隔直流電壓，使得信號中的直流成分被濾除，只保留信號中的交流成分。

DC（Direct Current，直流）耦合適用于低功耗、精密測量及嵌入式系統(tǒng)，供電穩(wěn)定且能效較高，但距離傳輸受限。常見的有 5V、12V、24V，其中工業(yè)傳感器多采用 24V DC，適用于低功耗嵌入式設(shè)備、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能家居等領(lǐng)域。

ICP(Integrated Circuit Piezo-Electric, ICP®是PCB Group. Inc的注冊商標)和 IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric)型傳感器是指內(nèi)置集成電路的壓電式傳感器，由壓電加速度傳感器和內(nèi)置微型IC放大器共同組成，將高阻抗的電荷轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓輸出。該項技被廣泛的運用在測試行業(yè)。

壓電效應(yīng)，指的是某些材料在受到機械應(yīng)力（如壓縮、拉伸、彎曲等）時，會在晶體表面產(chǎn)生電荷或電勢。

傳感器借助壓電效應(yīng)來生成信號并輸出。（“壓電”這一詞匯源于希臘語，其含義為“擠壓”。）當(dāng)壓電元件遭受到外部力作用時，相對應(yīng)的表面會出現(xiàn)電荷位移現(xiàn)象，從而導(dǎo)致晶體產(chǎn)生凈電荷分布，在晶體表面形成壓差，壓差在通過傳感器靈敏度系數(shù)轉(zhuǎn)換輸出模擬物理量（如力、加速度等）。下圖呈現(xiàn)了天然壓電石英晶體晶格中硅和氧原子位移所導(dǎo)致的電荷位移情況。不管是天然的，還是經(jīng)過高質(zhì)量再加工的晶體石英，均屬于最為敏感和穩(wěn)定的壓電材料之一。

（圖片引用PCB官網(wǎng)https://www.pcb.com/）

加速度、壓力和力傳感器

典型的力傳感器、壓力傳感器和加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖如下。

（圖片引用PCB官網(wǎng)https://www.pcb.com/）

其中，灰色部分表示測試結(jié)構(gòu)，藍色部分為傳感器外殼，壓電晶體以紅色標識，黑色電極是壓電晶體產(chǎn)生電荷的聚集處。綠色部分代表加速度計中的慣性質(zhì)量“M”。值得注意的是，這些傳感器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上非常相似。在測量運動的加速度計中，不變的慣性質(zhì)量“M”通過晶體的作用跟隨其基座及所連接結(jié)構(gòu)的運動，根據(jù)牛頓第二運動定律F=MA，可以計算出施加于晶體上的加速度。力傳感器和壓力傳感器的工作原理幾乎相同，均依賴外部力使晶體發(fā)生形變。二者的區(qū)別在于，壓力傳感器利用膜片來收集作用在一定面積上的力，即壓力，而力傳感器是直接作用在物體表面的力。

除了石英晶體外，人造多晶壓電陶瓷也是常用的膜片材料。這些材料在施加大電場時被迫成為壓電材料，能夠產(chǎn)生極高的電荷輸出。這一特性非常適合用于低噪聲測量系統(tǒng)。

壓電型傳感器的主要優(yōu)勢：

• 高靈敏度，能夠非常精確地測量微小的力、加速度或壓力；

• 快速響應(yīng)，能夠捕捉快速變化的物理量；

• 無源工作，在某些應(yīng)用中，壓電傳感器不需要外部電源，只需要物理輸入即可生成電信號；

• 耐用性強，壓電材料通常很堅固，能夠在極端環(huán)境條件下工作，如高溫、強磁場等環(huán)境。

由于壓電型傳感器的諸多優(yōu)勢，它被廣泛運用在振動噪聲控制領(lǐng)域，包括振動監(jiān)測與故障診斷、噪聲監(jiān)測與環(huán)境噪聲評估和主動降噪等各個方面。