壓電式壓力傳感器原理及應用

賁艷波

摘要：壓電式壓力傳感器可以用來測量發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，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發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。本文主要討論壓電式壓力傳感器原理及壓電式壓力傳感器的光纖傳輸技術應用在內彈道試驗研究中的使用。

關鍵詞：壓電式傳感器 壓力 內彈道試驗

一、壓電式壓力傳感器的特點

壓電式壓力傳感器是基于壓電效應的傳感器。是一種自發電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷。此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式壓力傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等（見壓電式壓力傳感器、加速度計）。 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；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。

壓電式壓力傳感器的工作原理與壓電式加速度傳感器和力傳感器基本相同，不同的是彈性元件是由膜片等把壓力轉換成集中力，再傳給壓電元件。為了保證靜態特性及穩定性，通常多采用壓電晶片并聯。在壓電式壓力傳感器中常用的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷，其中石英晶體應用得最為廣泛。下面是采用石英晶片的膜片式壓電壓力傳感器圖。

二、壓電壓力傳感器測量電路

1.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的方式提高傳感器的靈敏度。

2.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。圖（a）電壓等效電路，圖（b）簡化電路：

（a） （b）

其中，ui為放大器輸入電壓；； ；

如果壓電傳感器受力為F = Fmsinωt 則在壓電元件上產生的電壓為

式中 - 壓電元件輸出電壓幅值

d - 壓電系數。

而在放大器輸入端形成的電壓為：

的幅值為：

當 時，放大器的輸入電壓為：

電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變為較低阻抗，并將壓電式傳感器的微弱電壓信號放大，因此，也稱為阻抗變換器

下圖為電荷放大器：

如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為Qi=Q-Qf ，

而

式中，A為開環放大系數。

所以有：

故放大器的輸出電壓為

當A>>1，而（1+A）Cf>> 時，放大器輸出電壓可以表示為：

電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf 和高增益運算放大器構成。在電荷放大器中，輸出電壓Uo 與連接電纜電容Cc 無關，而與電荷量Q 成正比，這是電荷放大器的突出優點，這對信號的測量很方便，因此，電荷放大器被廣泛地應用于壓電傳感器的測量電路中。

三、壓電式壓力傳感器的光纖傳輸技術應用在內彈道試驗研究中的使用

內彈道試驗研究的對象主要是炮管內的壓力、炮口速度和作用時間（擊發底火后到彈丸通過身管所需要的時間）。最主要的測量對象是壓力，因為只有壓力能表征內彈道的循環特性，從壓力曲線可以得到火藥的火藥力、壓力沖量及火藥的燃速等重要參量?；鹚帤怏w壓力首先從零開始迅速地增加到某一個最大峰值，然后，下降。整個過程的時間只有千分之幾秒，而且，是一個非周期性的單次脈沖過程。因此，測量這種瞬變動態參數，壓電式壓力傳感器的寬頻響、高動態性能具有明顯優勢。

光纖傳輸測壓方式的現場采集發送模塊由電荷放大器、模數轉換器及電光轉換器組成，完成4個轉換過程：壓力量轉換為電荷量、電荷量轉換為模擬電壓量、模擬電壓量轉換為數字電壓量，再經過電光轉換，以光信號進行傳輸。遠程接收模塊由光電轉換器、數模轉換器組成，通過2個轉換過程：光電轉換和數模轉換，將光信號轉換為電壓信號后，復原出模擬電壓信號輸出至數據采集系統。

壓電式壓力傳感器利用石英晶體的壓電效應，將火藥氣體壓力的變化轉換為電荷量的變化，即 Q=Kp （1）

式中Q為電荷量；K為壓電式壓力傳感器靈敏度；P為被測火藥氣體壓力。

電荷放大器將電荷量的變化轉換為電壓幅值的變化

Q=U/A （2）

式中Q為電荷量；A為電荷放大器靈敏度；U為數據采集系統所測得的電壓值。 由（1），（2）兩式可得到被測火藥氣體壓力的計算公式 p=U/AK （3）

四、結論

光纖傳輸測壓方式能有效切斷電磁干擾藕合到測壓通路的途徑，避免了各種脈沖干擾給壓力測量帶來的影響，提高了壓力測量的抗干擾性和測量精度。同時，這種測試方法能將內彈道最主要的3個參量（壓力、炮口速度和作用時間）的關系在一個時間軸上表征出來，為開展電熱炮內彈道機理和試驗研究提供了較好的試驗方法。endprint