压力电学转换法

上位类别与不同实现

压力电学转换法是一类把压力引起的变化转换为电学信号进行测量的方法。电阻应变、压阻、电感、电容、压电、振频及霍尔读出具有不同的转换机理：有的利用压力导致的形变或位移，有的利用材料电学特性变化，有的将受力转换为电荷。不能把这个方法类别整体等同于压电效应。

具体实现的信号形式、静态或动态适用性及读出条件不同，应分别标定。下面以压电式压力检测说明其中一条转换链。

压电实例：测量对象与转换链

压电式压力传感器用于测量（单位面积上的力，单位 Pa）。压电元件本身只对敏感，不能直接感受均布压力，因此必须先用弹性元件把压力收集并转换为集中力，再作用于压电元件完成力—电转换。整条信号链为：均布压力 → 弹性膜/弹性盒 → 集中力 → 压电元件（d11 效应）→ 电荷 → 引线插件 → 放大器 → 归一化 → 仪表读数。

压力到力的转换

弹性膜（膜片）或弹性盒是承压与集力的弹性敏感元件。均布压力 p 作用在有效承压面积 A 上，弹性元件把分布载荷收集为作用于压电元件上的集中力 F。在弹性元件的线性工作范围内，力与压力成正比：

其中 p 为均布压力（Pa），A 为有效承压面积（m²），F 为传递给压电元件的力（N）。A 由弹性元件的结构尺寸决定，在传感器制成后为常数。

力到电荷的转换

压电元件利用压电效应实现力—电转换。课件明确采用 ，即沿特定晶轴方向受力时在相应表面产生电荷。压电元件在力 F 作用下产生的电荷量 Q 与力成正比：

其中 Q 为产生的电荷量（C），d11 为压电常数（C/N），F 为作用力（N）。d11 是压电材料的固有参数，由材料与切型决定。

压力与电荷的关系

将两式联立，得输出电荷与输入压力的关系：

由于 d11 与 A 均为常数，故 输出电荷与输入压力成正比。这是该传感器能够线性测量压力的根本依据。

信号输出与归一化

压电元件产生的电荷经引线插件输出给放大器。放大器把电荷转换为便于处理的电压信号，再经归一化处理（按传感器的灵敏度系数换算），即可在仪表上直接读出压力值。归一化的实质是：用已知的 d11·A 把测得的电荷量反算为压力，使仪表显示的量纲为压力单位。

适用范围与条件

• 上述正比关系成立的前提是：弹性膜/弹性盒工作在线性弹性范围内，且压电元件工作在线性压电范围内。
• 压电元件输出的是电荷，测量电路须具有足够高的输入阻抗，否则电荷会迅速泄放，导致读数不能保持。
• 压电式传感器适合测量动态或准静态压力；对完全静态的压力，电荷难以长期保持，测量会受限制。
• 有效承压面积 A 与压电常数 d11 共同决定传感器的压力灵敏度，二者均为结构/材料常数。