當(dāng)晶片在y方向上受到壓力p2的作用時(shí)，在垂直于x軸的晶片表面上也會(huì)產(chǎn)生電荷，其電荷量q2則為

而當(dāng)晶片在z方向上受到壓力p3的作用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生任何電荷。

利用測(cè)量電路測(cè)量出壓電材料表面的電荷量，便可得到被測(cè)對(duì)象的壓力值。一般的壓電式壓力傳感器的輸出電荷量(或電壓)與被測(cè)對(duì)象壓力成正比，具有良好的線性度，如圖2-29所示。

壓電式壓力傳感器可分為膜片式和活塞式兩類。圖2-30所示為膜片式壓電壓力傳感器結(jié)構(gòu)，它主要由引線、膜片、壓電元件、殼體以及絕緣體等組成。

壓電式壓力傳感器輸出的是電荷，只有在外電路負(fù)載無窮大，內(nèi)部無漏電時(shí)，壓電晶體表面產(chǎn)生的電荷才能長(zhǎng)時(shí)間保持下來。但實(shí)際上負(fù)載不可能無窮大，內(nèi)部也不可能完全不漏電。所以通常采用高輸入阻抗的放大器來代替理想的情況。有兩類高輸入阻抗的放大器，即輸入阻抗的電壓放大器和電荷放大器。

圖2-31所示為電荷放大器的電路原理圖。圖中電阻Rf與電容Cf并聯(lián)是為了給運(yùn)算放大器的基流提供一條泄漏通道，以防止放大器中的積分器趨于飽和。值得注意的是，圖中電容C包括三部分，即壓電晶體的電容、放大器的輸入電容和引線的電容。其中引線的電容與引線的長(zhǎng)度有關(guān)，因此消除引線的電容十分重要。消除的方法有兩種：①對(duì)連接引線進(jìn)行屏蔽，通常采用屏蔽導(dǎo)線;②將放大器放在傳感器內(nèi)，即做成一體化的壓電式壓力傳感器。這樣引線的電容就成為一個(gè)很小的常量，而傳感器以外的部分就只有電源和記錄顯示儀器了，由于它們與低阻抗的輸出端相連，因此對(duì)系統(tǒng)性能的影響就可忽略不計(jì)。

壓電式壓力傳感器屬于發(fā)電類傳感器，它在外力作用下無需外界提供電源就有電壓輸出。這類傳感器的最大特點(diǎn)是自振頻率高，可達(dá)200kHz。因此壓電式壓力傳感器最適合于測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)壓力，如內(nèi)燃機(jī)壓力、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)壓力、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力、火炮沖擊波壓力;也能用于測(cè)量高超音速脈沖風(fēng)洞的激波壓力，這個(gè)壓力很高，并伴隨有瞬時(shí)溫度沖擊和高加速度的沖擊振動(dòng)。

壓電式壓力傳感器的缺點(diǎn)是低頻性能差，傳感器殼體和壓電元件的線膨脹系數(shù)相差很大，在溫度改變時(shí)會(huì)引起晶體片原來所受的預(yù)緊力發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器零點(diǎn)漂移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響其靈敏度和線性度。

5.諧振式壓力傳感器

諧振式壓力傳感器是靠被測(cè)壓力所形成的應(yīng)力改變彈性元件的諧振頻率，通過測(cè)量頻率信號(hào)的變化來檢測(cè)壓力。這種傳感器特別適合與計(jì)算機(jī)配合使用，組成高精度的測(cè)量、控制

系統(tǒng)。由于彈性元件的不同，諧振式壓力傳感器的工作原理略有不同。

振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁金屬圓筒，圓筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。圖2-32所示為振筒式諧振壓力傳感器結(jié)構(gòu)，它主要由壓力敏感組件和激勵(lì)放大器兩部分組成。

當(dāng)被測(cè)對(duì)象的壓力通入圓筒內(nèi)壁時(shí)，在被測(cè)壓力的作用下，圓筒將在軸向和徑向被張緊并引起剛性發(fā)生變化，從而改變圓筒的固有頻率。任一機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率fo可表示為

在外界壓力的作用下，振筒彈性體諧振在自身的固有最低能級(jí)上，壓力不同，諧振體的固有能級(jí)不同，諧振頻率不同。壓力p和諧振頻率廠的關(guān)系為

振膜式諧振壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-33(a)所示。振膜為一個(gè)平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測(cè)量室，被測(cè)壓力戶經(jīng)過導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測(cè)量室內(nèi)。參考?jí)毫κ铱梢酝ù髿庥糜跍y(cè)量表壓，也可以抽成真空測(cè)量絕對(duì)壓力。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振頻率與膜片固有頻率一致時(shí)，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力作用時(shí)，膜片是平的，其諧振頻率為fo;當(dāng)有壓力作用時(shí)，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個(gè)與諧振頻率相同的信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)，如圖2-33(b)所示。