壓電壓力感測器

某些電介質沿著某一個方向受力而發生機械變形(壓縮或伸長)時，其內部將發生極化現象，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，此現象稱為“壓電效應”。壓電式壓力感測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。由壓電材料製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係： q=ksp 式中 q為電荷量；k為壓電常數；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1為一種壓電式壓力感測器的結構示意圖。壓電元件夾於兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側面與膜片接觸並接地，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。

壓電壓力感測器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度範圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個範圍之後，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由於隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電係數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電係數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬於人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。

更換壓電元件可以改變壓力的測量範圍；在配用電荷放大器時，可以用將多個壓電元件並聯的方式提高感測器的靈敏度；在配用電壓放大器時，可以用將多個壓電元件串聯的方式提高感測器的靈敏度。壓電式壓力感測器體積小，結構簡單，工作可靠；測量範圍寬，可測100mpa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應高，可達30khz，是動態壓力檢測中常用的感測器，但由於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壓力。