电式压力传感器原理简介：
 
压电式压力传感器是利用正压电效应制成的。正压电效应是指：晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的,当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
 
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

 

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。

 

基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图）。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号(见压电式传感器)。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。
压电式传感器正压电效应
某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到正常的不带电状态，这种现象称为正压电效应 。

压电式传感器逆压电效应

如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机 械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现 象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。

压电式传感器压电材料

明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料 。
它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。
压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；
多晶压电陶瓷， 如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。
有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。

压电式传感器主要参数                    

（1）压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。
（2）压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
（3）对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
（4）在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。
（5）压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。
（6）压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。

压电式传感器压电转换

压电关系表达式：Q=d*F，其中d：压电常数
更一般表达式：电荷密度q　 ，（用单位面积受力表示）
其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向
如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷
受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式：
受z向力作用后在z方向产生电荷的表达式：

压电式传感器压电分析

石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。
定义：
x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强,称为电轴。
y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。
z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为Qx = d11 Fx。
式中: d11——x方向受力的压电系数
Fx——作用力
若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为Qy=d12Fy a/b
式中: d12——y轴方向受力的压电系数
d12=-d11

a、 b——晶体切片长度和厚度
（1）当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
（2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。
（3）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。
（4）如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。

压电式传感器压电陶瓷

单晶体与压电陶瓷的比较：
相同点：都是具有压电效应的压电材料。
不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。  

压电式传感器等效电路

1、电容效应等效原理
1）压电式传感器结构
..在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极， 如图所示。
2）等效电容量
当压电传感器受到沿其敏感轴向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源（静电发生器）。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量为沿 x 轴方向加力产生纵向压电效应,沿 y 轴加力产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生切向压 电效应。
3）等效电压
当压电晶体受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷 Q ，可求出其开路电压（负载电阻为无穷大时）
1）、压电式传感器既可等效为电荷源又可等效为电容器，其等效电路可认为是二者的并联，如下图（a）所示；也可认为是一个电压源和一个电容器串联，如下图（b）所示。其中 Ra为压电元件的漏电阻.
2）、压电式传感器测试系统等效电路
压电式传感器工作时，需与二次仪表配套使用，此时的等效电路如下图所示。图中Cc为传感器电缆电容，Ri为放大器输入电阻，Ci为输入电容。