压电式压力变送器

    压电式压力变送器表是电气式压力仪表的一种，因其检测元件动态性能好、耐高温，因而适用于测快速变化，脉动压力和超高压等场合。本篇相远仪表将为大家介绍压电式压力计【相远仪表：400-101-2883】。

    1) 工作原理

    压电式压力计的工作原理是基于某些物质的压电效应。某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种由外电场作用导致物质 (物体)产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)，常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。

    天然石英晶体，就其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥，如图 所示。在晶体学中，这种结构形状可以用三维坐标表示，其中纵轴 Z 为光轴，通过六棱线而垂直于光轴的 X 轴称为电轴，与 X－X 轴和 Z－Z 轴垂直的 Y－Y 轴(垂直于六棱柱体的棱 面)称为机械轴。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于 Z－Z、 Y－Y、X－X 轴线，可以得到不同的压电晶体切片。晶片在正常情况下呈现中性，不带电。若对其施力，则有几种不同的效应即纵向压电效应、横向压电效应和切向压电效应。纵向压电效应是指沿电轴(X 轴)方向的作用力产生的压电效应，横向压电效应是指沿机械轴(Y 轴)方向的作用力产生的压电效应。沿光轴(Z 轴)方向的作用力不产生压电效应。切向压 电 效 应 是 指 沿 相对两 棱 方 向 的作用 力 产生的 压 电 效 应 。 压 电 式 传感器主要是利用纵向压电效应。

    2) 测量电路

    以压电效应为基础的压电传感器，是一种具有很高内阻而输出电信号又很弱的有源装置，在作非电测量时，为了提高灵敏度和测量精度，通常取多片压电材料组合成一个压电敏感元件。

    由于压电传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号输入到具有高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，再利用一般的放大检波电路将信号输入到指示仪表或记录仪表中。

    前置放大器的作用是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，并放大传感器输出的微弱信号。前置放大器电路有两种形式，一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路受电缆长度变化的影响不大(几乎可以忽略不计)，故而电荷放大器的应用日益广泛。压电传感器接至电荷放大器的等效电路图如图所示。图中 R 和 C 分别表示前置电荷放大器的等效入端电阻和等效入端电容。电荷放大器是一个具有深度电容 Cf 负反馈的高增益放大器，略去极高 R 影响时，测量电路的输出电压为输出电压为

    由此可知电荷放大器的输出电压与压电传感器的电荷量成正比，与电缆分布电容无关。因此采用电荷放大器时，即使连接的电缆长度在百米以上，灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的显著优点。

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