压电式压力传感器

测量对象与总体思路

压电式压力传感器用于测量均布压力。压电元件本身只对敏感，因此必须先用弹性敏感元件把作用在面积上的均布压力收集、集中成一个力，再让该力作用到压电晶片上。整个转换链为：均布压力 → 弹性元件收集并转换为力 → 压电元件实现力-电转换 → 电荷输出 → 放大与归一化 → 仪表显示压力。

弹性元件：压力到力的转换

弹性膜（膜片）或弹性盒是承压与集力的部件。均布压力 p 作用在有效承压面积 A 上，产生总力

该力被传递给压电晶片。由于 A 在结构确定后为常数，所以作用力 F 与输入压力 p 成正比，这是后续“输出电荷与压力成正比”的前提。膜片/弹性盒同时起隔离与密封作用，使被测介质不直接接触晶片。

压电元件：力到电荷的转换

压电晶片受力后，因压电效应在电极面上产生电荷。对常用的压电材料（如石英）沿特定方向切型，利用其压电常数 $d_{11}$，电荷量 Q 与作用力 F 的关系为

其中 Q 为电荷量，单位 C（常用 pC）；$d_{11}$ 为压电常数，单位 C/N（常用 pC/N）；F 为沿敏感轴作用的力，单位 N。$d_{11}$ 是材料常数，在给定切型和受力方向下为定值。

从电荷到压力读数

把 $F=pA$ 代入 $Q=d_{11}F$，得

即输出电荷 Q 与输入压力 p 成正比，比例系数 $d_{11}A$ 由材料和结构尺寸决定。电荷经引线插件输出给电荷放大器（或电压放大器）放大，再作归一化处理——即用已知灵敏度把电荷量折算成压力值——即可在仪表上直接读出压力。

结构剖面中的各部件作用

传感器剖面结构包含：引线（把晶片电极上的电荷引出到外部电路）、外壳（机械支撑与屏蔽）、冷却腔（在高温介质场合对晶片区域进行冷却，使压电元件工作在允许温度内）、晶片（压电转换元件）、薄壁管（传压通道，把压力引导到膜片/晶片受力面）、膜片（承压并集力）。压力从膜片一侧施加，经薄壁管与膜片传递到晶片，晶片产生的电荷由引线输出。

适用条件与注意点

• 上述正比关系以弹性元件工作在弹性范围内、压电元件受力沿敏感轴、且后续测量电路（如电荷放大器）能正确把电荷转换为电压为前提。
• 压电元件输出的是电荷，属于高内阻信号源，必须配用高输入阻抗的放大电路，否则电荷会迅速泄放，读数不能保持正比关系。
• 压电式压力传感器适合测量动态或准静态压力变化；对真正恒定的静态压力，电荷会因绝缘电阻有限而泄漏，长时间保持困难。
• 冷却腔的存在说明该结构可用于介质温度较高的场合，但晶片实际温度仍须在其允许工作温度范围内。