压电式压力传感器简介

1.工作原理

压电传感器的工作原理是以具有正压电效应的压电晶体为基础的。为了提高输出，在压电传感器中，一般很少将压电晶体单片使用，而往往采用两片以上组合在一起组成一个传感器。由于压电晶片是有极性的，所以有两种组合方式，一种是将晶片同极性的晶面紧贴在一起作一个输出端，两边的电极用导线连接后作为输出的另一端，形成“并联组合”（图11-17a、c）。另一种组合是将正负电荷集中在上下极板，而中间晶面上的电荷则互相抵消，形成“串联组合”见图11-17b。

图11-17 压电晶体的组合方式

a）并联组合 b）串联组合 c）并联组合及等效电路

从上述两种组合方式中可以看出：并联组合中输出的电荷大、输出电容大、输出阻抗低、时间常数大，故适于电荷作为输出的场合。而在串联组合中输出电压大、输出电容小、阻抗高以及时间常数小，故适于以电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的场合。

2.压电传感器与测量电路的匹配特性要求

从压电效应来说，压电传感器产生的电荷量Q是属于静电性质的现象。此电荷量Q的大小是无法用一般仪表测得的，这是因为一般仪表的输入阻抗有限，压电晶片上产生的电荷将通过测量电路的输入电阻泄漏淖。测量电路的输入阻抗愈高，被测参数的变化愈快（即频率愈高），则所测的结果就愈接近电荷的实际变化。由此可见，为了减小测量误差，要求压电传感器测量电路必须是高输入阻抗的放大器。通常是在放大器与变换器之间加入高阻抗的前置放大器。前置放大器又分电压放大器和电流放大器。

（1）电压放大器 图11-18a为压电传感器、电缆和电压放大器组成的等效电路。

图11-18 传感器、电缆、放大器输入端的等效电路

a）等效电路 b）简化电路

注意：图11-18中，C_p、R_p分别为传感器的电容量和绝缘电阻值；C_c是电缆的分布电容量；C_i、R_i分别为放大器的输入电容和输入电阻。图11-18b简化电路中，等效电容

C=C_c+C_p+C_i

等效电阻

压电晶体片上产生的总电荷量为

Q=Kp·F

式中 Kp——压电常数；

F——作用在压电晶片上的交变力。

由于所产生的总电荷量的一部分使电容C充电而获得端电压e，即

e=Q1/C

另一部分经电阻R漏损掉，并在电阻R上产生电压降，其大小也应该是e，即

因此可写成

Q=Q₁+Q₂=KpF

显然，压电传感器所产生的电压等于电容C充电的电压加漏损压降，即

改写成

设作用在压电晶片上的力是交变的，即

F=Fm·sinωt

故可得

以上微分方程的特解

从式（11-22）可知：

1）当ω、C=0时，由上式求出放大器输入电压e_m=0，这说明电压放大器与压电传感器相配是不适于测量静态参数的。

2）当时，即在测量低频动态参数时，由式（11-22）得到的是(www.xing528.com)

e_m=KpFRω

在这种状态下，电压放大器的输入电压与力F和频率ω成正比关系，但是随频率的下降，电压放大器的输入电压也跟着下降。

3）当时，即在测量高频动态参数时，由式（11-22）求出的输入电压

e_m=KpF/C这说明对于高频参数，电压放大器的输入电压不再随输入参数的频率而变，也就是说只有在频率ω愈高的条件下，愈满足的条件，使得电压放大器的输入电压只随作用力的大小而变化。

当被测参数的频率为ω=1/RC时（此时e_m下降3dB），作为下限频率，即

如果电容量C=1000pF要求可测的频率下限f_t=1Hz，按式（11-23）

1=1/（2πR×1000×10^-12）

故可求得等效电阻

R=10⁹/2π=159×10⁶Ω=159MΩ，

由于

传感器的绝缘电阻Rp一般均大于2×10¹⁰Ω，所以求得

R_i=R=159MΩ

这就是说所要求的电压放大器的输入阻抗为159MΩ。如果希望展宽低频段的工作范围，就应加大RC的数值，使放电过程减慢。这可以加大C或加大R，但是加大电容量（C=Cc+Cp+Ci）会使变换器灵敏度下降，因为由压电效应产生电荷Q所形成的开路电压e=Q/C会因此而下降，因此，只有尽量增大等效电阻R，即应最大限度地增大放大器的输入阻抗Ri和传感器的绝缘电阻Rp。输入阻抗愈大，绝缘性能愈好，就愈能展宽动态测量的低频下限。反之，如果传感器的绝缘不良（有漏电现象），或者放大器输入电阻上有分流作用，就会在低频段产生很大误差。

由于导线的长度会增大电缆分布电容Cc，使输入信号电压下降，明显地降低电压灵敏度，同时产生频率和相位失真，以及提高了输入动态的低频下限范围。因此，采用电压前置放大器来处理压电式传感器的输出信号时，规定电缆长度为1.2～1.5m，更换电缆或改变电缆长度时必须修正灵敏度。另外，由于输入阻抗很高，非常容易通过杂散定容拾取外界50Hz的电流干扰和其他干扰，因此引线需要进行仔细的屏蔽，这给使用带来不方便。因此目前用得较多的是用电荷放大器来处理压电式传感器的输出信号。

（2）电荷放大器 为了克服电缆长度影响传感器的灵敏度的缺点，发挥利用压电效应作为传感器的优点，压电传感器应与电荷放大器匹配。它是一种输出电压与输入电荷成正比的前置放大器。

在采用电荷放大器的情况下，压电传感器视为一个电荷源。电荷放大器是一个高增益的、具有反馈电容C_f的运算放大器。当略去电阻R时，其等效电路如图11-19所示。图11-19中A为运算放大器，其开环增益为A，C_f为反馈电容。

图11-19 压电传感器与电荷放大器匹配的等效电路

由图11-19可知，此放大器是一个电压并联负反馈电路，从放大器输入端看，相当于C_f（1+A）的反馈输入阻抗和输入端阻抗并联。反馈电容C_f在输入端的作用增加了（1+A）倍，这就增大了输入回路的时间常数，当压电传感器受外力作用产生电荷Q时，将向所有电容充电，此时放大器输入端的电压e_i为

e_i=Q/[C_p+C_c+C_i+（1+A）C_f] （11-24）

当A>>1时e_i=Q/C_fA，放大器的输出电压e₀为

e_O=-e_iA=-Q/C_f（11-25）

式中负号表示本级的输出与输入极性相反。

式（11-25）说明电荷放大器的输出电压仅和电荷量及反馈电容量有关，对于放大系数A及电缆分布电容C_f的变化不再影响放大器的输出，这是电荷放大器的显著特点。一般对于长电缆时取AC_f＞100C。即可使电缆分布电容对测量的灵敏度无明显影响。但是C_f值选得过大也会影响灵敏度下降。此外，当电荷放大器与压电传感器连接使用时，其下限频率（时间常数）只由电荷放大器决定。目前，国内生产的电荷放大器的下限频率已达1.6μHz，这对实际测量和准静态标定是很重要的。

至于电荷放大器工作频带的上限除了与运算放大器的频率响应有关外，还与电缆长度有关。若电缆很长，杂散电容和电缆电容增加，导线自身的电阻也增加，它们会影响电荷放大器的高频特性，但影响不大。例如，100m电缆的电阻仅几欧到数十欧，故对频率上限影响可以忽略。

需要指出，电荷放大器虽然允许使用很长的电缆，并且电容Cc变化不影响灵敏度，但它比电压放大器的价格高，电路较复杂，调整也比较困难。

在柴油机电控喷油系统中，压电传感器一般用于测缸内燃烧压力或共轨喷油压力。因为在高压测量中，常利用石英晶体的纵向压电效应，因为此时晶体的机械强度更高，可承受更高的压力。又由于石英晶体有很高的绝缘性能，其压电常数基本上不随温度变化，故使用温度高，可达550℃，固有频率也更高。如果石英片越多，测量的灵敏度也越高。

图11-20所示为一种压电式高压共轨喷油系统燃油压力传感器，现代直喷式柴油机的最高喷油压力已超过200MPa，在以微控制器为电控单元（ECU）的高压共轨燃油喷射系统中，由于采用了电液控制的喷油器，喷油器针阀的开启是靠由电控单元控制的高速电磁阀来实现的，而不是像传统的喷油器那样靠燃油压力来开启的，所以，共轨管燃油压力的高低决定了喷油压力的高低。而喷油压力的高低是由电控单元根据柴油机工况决定的。在高压共轨电控系统中，为了精确地控制共轨管燃油压力，当高压油泵产生的高压燃油被送入共轨管后，由设置在共轨管上的燃油压力传感器测定共轨中的实际燃油压力，然后电控单元提供反馈信息，由电控单元对高压供油泵上的PCV阀（日本电装公司的高压共轨喷油系统）实施反馈控制，通过供油量的增减来调节共轨管中的燃油压力，使其稳定于目标值。

共轨管燃油压力传感器也可选用压阻式高压传感器。这种传感器具有尺寸小、精度高、成本低和响应性、再现性、抗振性较好等优点，又由于在所测共轨管中的燃油压力信号的最高频率大约为1kHz，而压阻式高压传感器的固有频率已在100kHz以上，所以一般采用压阻式高压传感器就可以了，其灵敏度为50～100mV/MPa，测量范围为0～100MPa或0～200MPa，使用温度为20～120°C。

图11-21为压电式燃烧压力传感器，它除具有耐高压、耐高温外，通过特殊的机构设计，还具有抗振动和抗安装变形的特点。

图11-20 共轨压力传感器

1—石英晶体组件 2—单片石英 3—电荷引出片 4—导线

图11-21 缸内燃烧压力传感器