压电元件并联连接

并联连接的定义与电学关系

将两片同规格压电元件按极性相同的方式黏结（负端对负端、正端对正端），中间插入金属电极引出负端，两侧外表面连接作为正端，这种连接称为并联法。设单片压电元件的电荷量为 $Q$、电容为 $C_a$、开路电压为 $U$，则并联后：

• 总电荷量 $Q^{\mathrm{\prime }}=2Q$
• 总电容 $C_a^{\mathrm{\prime }}=2C_a$
• 输出电压 $U^{\mathrm{\prime }}=U$

推导依据：两片元件在机械上串联，受到相同的作用力，产生相同的变形和电荷量。并联时正负电荷分别汇集到同一电极，电荷量相加；两片电容并联，总电容相加；由 $U=Q\mathrm{/}C$，电荷和电容同比例加倍，故电压不变。

并联的适用场合

并联法输出电荷大、本身电容大、时间常数大，适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。时间常数 $\tau =R{C}_a^{\mathrm{\prime }}$（$R$ 为测量回路等效绝缘电阻，单位 $\mathrm{\Omega }$；$C_a^{\mathrm{\prime }}$ 为并联后总电容，单位 F），电容加倍使时间常数增大，有利于保持电荷。

串联连接对比

将两片压电元件按极性相反的方式黏结（正端对负端），称为串联法。串联后：

• 总电荷量 $Q^{\mathrm{\prime }}=Q$
• 总电容 $C_a^{\mathrm{\prime }}=C_a\mathrm{/}2$
• 输出电压 $U^{\mathrm{\prime }}=2U$

串联法输出电压大、本身电容小，适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。

并联在传感器结构中的实现

在压电式力传感器中，上盖作为传力元件，受外力作用产生弹性形变，将力传递到两片石英晶片上。石英晶片利用纵向压电效应（$d_{11}$ 纵向转换）实现力—电转换，晶片厚度方向为 $x$ 轴（电轴）。两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由电极输出，正电荷一侧与底座连接。

在压电式加速度传感器中，压电元件由两片并联连接的石英晶片构成，内置超小型阻抗变换器（静电放大器），引线非常短，引线电容几乎为零，从而避免长电缆对传感器灵敏度的影响，同时放大器输入端可获得较大的电压信号，弥补石英晶体灵敏度低的缺陷。

并联电荷输出与慢变信号应用及静态限制

压电元件在交变力作用下，电荷可以不断补充，供给测量回路一定电流，故适合动态测量。当被测量频率愈低，测量电路放大器输入电压愈偏离理想状态，相位角误差也愈大。当作用力为静态力（$\omega =0$）时，前置放大器输入电压 $U_{im}=0$，电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉。外力作用于压电材料产生的电荷只在无泄漏情况下才能保存，即需要负载电阻（放大器输入阻抗）无穷大且内部无漏电，但这实际上不可能。因此压电式传感器以时间常数 $\tau$ 按指数规律放电，不能用于测量静态量。并联法因电容大、时间常数大，在慢变信号测量中电荷保持时间相对较长，但仍受漏电限制，不能测量真正的静态量。