压电式压力传感器原理及应用

压电式压力传感器原理及应用

自动化研1302班王民军

压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

一、压电式传感器的工作原理

1、压电效应

For personal use only in study and research; not for commercial use

某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。

2、压电式压力传感器的特点

压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见

压电式压力传感器、加速度计)。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=k*S*p。

For personal use only in study and research; not for commercial use

式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。

压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。为了保证静态特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。

For personal use only in study and research; not for commercial use

二、压电压力传感器等效电路和测量电路

在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料

(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。图（a ）电压等效电路，图(b)简化电路：

其中，u i 为放大器输入电压；a c c c c += ， ， 如果压电传感器受力为F = F m*sin ωt ，则在压电元件上产生的电压为

i a i a R R R R R +=t

U t C F d u m a

m a ωωsin sin =⋅=a

a c q u /=

式中 m u － 压电元件输出电压，幅值a m c f u /*d m =，

d － 压电系数。

而在放大器输入端形成的电压为:

i

u 的幅值im u 为: 当 时，放大器的输入电压为:

电压放大器的功能是将压电传感器的高输出阻抗变为较低阻抗，并将压电式传感器的微弱电压信号放大，因此，也称为阻抗变换器。

下图为电荷放大器：

m a a a i dF C C R j R j u C j R C j R C j C j R C j R u )

(111111++=+++=ωωωωωωω2

22)(1i c a m im C C C R R F d u +++⋅⋅⋅=ωω1)(>>++i c a C C C R ωF C C C d u a c i i ++≈

如果忽略电阻R a 、R i 及Rf 的影响，则输入到放大器的电荷量为Q i=Q -Q f ,

而

式中，A 为开环放大系数。

所以有： 故放大器的输出电压为：

当A>>1，而(1+A)C f>>

时，放大器输出电压可以表示为:

电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf 和高增益运算放大器构成。在电荷放大器中，输出电压U0与连接电缆电容Cc 无关，而与电荷量Q 成正比，这是电荷放大器的突出优点，这对信号的测量很方便，因此，电荷放大器被广泛地应用于压电传感器的测量电路中。 f f f i f C A

U A C U A U C U U Q 0000)1()()(+-=--

=-=f f a c i C A U A Q C A U A Q C C C A U 000)1(])1([)(++=+--=++-

f a c i C A C C C AQ

U )1(0++++-=a c i C C C ++f

C Q U -=0