- 壓電式壓力傳感器的原理及應用
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2016/3/2
某些電介質沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形(壓縮或伸長)時，其內部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會產生電荷。當外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應”。 壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應。
1、壓電壓力傳感器的基本介紹
常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。
壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應將被測壓力轉換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產生的電荷量與作用力之間呈線性關系：
Q=kSp
式中 Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。
圖3.1為一種壓電式壓力傳感器的結構示意圖。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側面與膜片接觸并接地，另一側面通過引線將電荷量引出。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉換為電壓或電流輸出，輸出信號與被測壓力值相對應。
除在校準用的標準壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復合材料的合成膜的。
更換壓電元件可以改變壓力的測量范圍；在配用電荷放大器時，可以用將多個壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時，可以用將多個壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。
2、壓電壓力傳感器的基本特點
壓電式壓力傳感器體積小，結構簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應高，可達30kHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力
壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。
壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。
壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。
3、壓電壓力傳感器測量電路
由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。
前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。
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