《能源监测与评价》——能源监测技术（五）

当晶片在y方向上受到压力p2的作用时，在垂直于x轴的晶片表面上也会产生电荷，其电荷量q2则为

而当晶片在z方向上受到压力p3的作用时，不会产生任何电荷。

利用测量电路测量出压电材料表面的电荷量，便可得到被测对象的压力值。一般的压电式压力传感器的输出电荷量(或电压)与被测对象压力成正比，具有良好的线性度，如图2-29所示。

压电式压力传感器可分为膜片式和活塞式两类。图2-30所示为膜片式压电压力传感器结构，它主要由引线、膜片、压电元件、壳体以及绝缘体等组成。

压电式压力传感器输出的是电荷，只有在外电路负载无穷大，内部无漏电时，压电晶体表面产生的电荷才能长时间保持下来。但实际上负载不可能无穷大，内部也不可能完全不漏电。所以通常采用高输入阻抗的放大器来代替理想的情况。有两类高输入阻抗的放大器，即输入阻抗的电压放大器和电荷放大器。

图2-31所示为电荷放大器的电路原理图。图中电阻Rf与电容Cf并联是为了给运算放大器的基流提供一条泄漏通道，以防止放大器中的积分器趋于饱和。值得注意的是，图中电容C包括三部分，即压电晶体的电容、放大器的输入电容和引线的电容。其中引线的电容与引线的长度有关，因此消除引线的电容十分重要。消除的方法有两种：①对连接引线进行屏蔽，通常采用屏蔽导线;②将放大器放在传感器内，即做成一体化的压电式压力传感器。这样引线的电容就成为一个很小的常量，而传感器以外的部分就只有电源和记录显示仪器了，由于它们与低阻抗的输出端相连，因此对系统性能的影响就可忽略不计。

压电式压力传感器属于发电类传感器，它在外力作用下无需外界提供电源就有电压输出。这类传感器的最大特点是自振频率高，可达200kHz。因此压电式压力传感器最适合于测量高频动态压力，如内燃机压力、火箭发动机压力、飞机发动机燃烧室压力、火炮冲击波压力;也能用于测量高超音速脉冲风洞的激波压力，这个压力很高，并伴随有瞬时温度冲击和高加速度的冲击振动。

压电式压力传感器的缺点是低频性能差，传感器壳体和压电元件的线膨胀系数相差很大，在温度改变时会引起晶体片原来所受的预紧力发生变化，导致传感器零点漂移，严重时会影响其灵敏度和线性度。

5.谐振式压力传感器

谐振式压力传感器是靠被测压力所形成的应力改变弹性元件的谐振频率，通过测量频率信号的变化来检测压力。这种传感器特别适合与计算机配合使用，组成高精度的测量、控制

系统。由于弹性元件的不同，谐振式压力传感器的工作原理略有不同。

振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁金属圆筒，圆筒本身具有一定的固有频率，当筒壁受压张紧后，其刚度发生变化，固有频率相应改变。图2-32所示为振筒式谐振压力传感器结构，它主要由压力敏感组件和激励放大器两部分组成。

当被测对象的压力通入圆筒内壁时，在被测压力的作用下，圆筒将在轴向和径向被张紧并引起刚性发生变化，从而改变圆筒的固有频率。任一机械振动系统的固有频率fo可表示为

在外界压力的作用下，振筒弹性体谐振在自身的固有最低能级上，压力不同，谐振体的固有能级不同，谐振频率不同。压力p和谐振频率厂的关系为

振膜式谐振压力传感器结构如图2-33(a)所示。振膜为一个平膜片，且与环形壳体做成整体结构，它和基座构成密封的压力测量室，被测压力户经过导压管进入压力测量室内。参考压力室可以通大气用于测量表压，也可以抽成真空测量绝对压力。装于基座顶部的电磁线圈作为激振源给膜片提供激振力，当激振频率与膜片固有频率一致时，膜片产生谐振。没有压力作用时，膜片是平的，其谐振频率为fo;当有压力作用时，膜片受力变形，其张紧力增加，则相应的谐振频率也随之增加，频率随压力变化且为单值函数关系。在膜片上粘贴有应变片，它可以输出一个与谐振频率相同的信号。此信号经放大器放大后，再反馈给激振线圈以维持膜片的连续振动，构成一个闭环正反馈自激振荡系统，如图2-33(b)所示。