壓電式壓力傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng),目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等,當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時(shí),在其相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷,這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。
壓電式壓力傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體,壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后,壓電性質(zhì)*消失(這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”)。
由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小(也就說(shuō)壓電系數(shù)比較低),所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù),但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度,所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上,比如現(xiàn)在的壓電陶瓷,包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。
壓電效應(yīng)是壓電式壓力傳感器的主要工作原理,壓電式壓力傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量,因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷,只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電式壓力傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。
壓電式壓力傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。
壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式壓力傳感器也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè),例如用它來(lái)測(cè)量在膛中擊發(fā)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(lái)測(cè)量大的壓力,也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。
壓電式壓力傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中,比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的,因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍,所以壓電式壓力傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。