某mou些xie電dian介jie質zhi，當dang沿yan著zhe一yi定ding方fang向xiang對dui其qi施shi力li而er使shi它ta變bian形xing時shi，其qi內nei部bu就jiu產chan生sheng極ji化hua現xian象xiang
，同tong時shi在zai它ta的de兩liang個ge表biao麵mian上shang便bian產chan生sheng符fu號hao相xiang反fan的de電dian荷he，當dang外wai力li去qu掉diao後hou，其qi又you重zhong新xin恢hui複fu到dao不bu帶dai電dian狀zhuang態tai，這zhe種zhong現xian象xiang稱cheng壓ya電dian效xiao應ying。相xiang反fan，當dang在zai電dian介jie質zhi極ji化hua方fang向xiang施shi加jia電dian場chang
，這zhe些xie電dian介jie質zhi也ye會hui產chan生sheng變bian形xing，這zhe種zhong現xian象xiang稱cheng為wei“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。

 

　

 

 

石英晶體、鈦酸鋇

、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。應用於壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。

 

他們都具有較大的壓電常數，機械性能良好，時間穩定性好
，溫度穩定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。

 

1、壓電晶體

　

　

天然形成的石英晶體外形

 

　

石英晶體切片及封裝

 

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩定的振蕩輸出頻率。

 

石英晶體振蕩器（晶振）

 

石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化矽單晶體，屬於六角晶係。它為規則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸。vz軸又稱光軸

，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過六麵體相對的兩個棱線並垂直於光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直於兩個相對的晶柱棱麵。

 

 

石英晶體的壓電效應與其內部結構有關，產生極化現象的機理可說明。石英晶體的化學式為SiO2，它的每個晶胞中有3個矽離子和6個氧離子，一個矽離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成隊出現的）。沿光軸看去，可以等效地認為正六邊形排列結構。

 

圖中1—正電荷等效中心 2—負電荷等效中心

　　

（1）在無外力作用時

　　

（2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時
，晶格產生變形

　　

（3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時，也會產生晶格變形

　　

（4）當晶體的光軸（z軸）方向受到受力時，由於晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離
，所以不會產生壓電效應。

 

沿yan機ji械xie軸zhou方fang向xiang的de力li作zuo用yong在zai晶jing體ti上shang時shi，產chan生sheng的de電dian荷he與yu晶jing體ti切qie麵mian的de幾ji何he尺chi寸cun有you關guan
，式shi中zhong的de負fu號hao說shuo明ming沿yan機ji械xie軸zhou的de壓ya力li引yin起qi的de電dian荷he極ji性xing與yu沿yan電dian軸zhou的de壓ya力li引yin起qi的de電dian荷he極ji性xing恰qia好hao相xiang反fan。

 

2
、壓電陶瓷

 

 

yadiantaocishirengongzhizaodeduojingtiyadiancailiao。cailiaoneibudejingliyouxuduozifajihuadedianchou
，tayouyidingdejihuafangxiang
，congercunzaidianchang。zaiwuwaidianchangzuoyongshi，dianchouzaijingtizhongzaluanfenbu

，tamengezidejihuaxiaoyingbeixianghudixiao，yadiantaocineijihuaqiangduweiling。yinciyuanshideyadiantaocichengzhongxing
，bujuyouyadianxingzhi。

 

在(zai)陶(tao)瓷(ci)上(shang)施(shi)加(jia)外(wai)電(dian)場(chang)時(shi)，電(dian)疇(chou)的(de)極(ji)化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)生(sheng)轉(zhuan)動(dong)，趨(qu)向(xiang)於(yu)按(an)外(wai)電(dian)場(chang)方(fang)向(xiang)的(de)排(pai)列(lie)，從(cong)而(er)使(shi)材(cai)料(liao)得(de)到(dao)極(ji)化(hua)。外(wai)電(dian)場(chang)愈(yu)強(qiang)，就(jiu)有(you)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)疇(chou)更(geng)完(wan)全(quan)地(di)轉(zhuan)向(xiang)外(wai)電(dian)場(chang)方(fang)向(xiang)。讓(rang)外(wai)電(dian)場(chang)強(qiang)度(du)大(da)到(dao)使(shi)材(cai)料(liao)的(de)極(ji)化(hua)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)的(de)程(cheng)度(du)，即(ji)所(suo)有(you)電(dian)疇(chou)極(ji)化(hua)方(fang)向(xiang)都(dou)整(zheng)齊(qi)地(di)與(yu)外(wai)電(dian)場(chang)方(fang)向(xiang)一(yi)致(zhi)時(shi)，當(dang)外(wai)電(dian)場(chang)去(qu)掉(diao)後(hou)，電(dian)疇(chou)的(de)極(ji)化(hua)方(fang)向(xiang)基(ji)本(ben)沒(mei)變(bian)化(hua)，即(ji)剩(sheng)餘(yu)極(ji)化(hua)強(qiang)度(du)很(hen)大(da)，這(zhe)時(shi)的(de)材(cai)料(liao)才(cai)具(ju)有(you)壓(ya)電(dian)特(te)性(xing)。

 

壓電陶瓷的極化 (a) 未極化; (b) 電極化

 

壓ya電dian陶tao瓷ci的de壓ya電dian係xi數shu比bi石shi英ying晶jing體ti的de大da得de多duo，所suo以yi采cai用yong壓ya電dian陶tao瓷ci製zhi作zuo的de壓ya電dian式shi傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du較jiao高gao。極ji化hua處chu理li後hou的de壓ya電dian陶tao瓷ci材cai料liao的de剩sheng餘yu極ji化hua強qiang度du和he特te性xing與yu溫wen度du有you關guan

，它ta的de參can數shu也ye隨sui時shi間jian變bian化hua，從cong而er使shi其qi壓ya電dian特te性xing減jian弱ruo。

 

3、新型壓電材料

 

壓電薄膜

 

（1） 壓電半導體材料

 

壓電半導體材料有ZnO、CdS（硫化鎘） 、CdTe（碲化鎘 ）等


，這種力敏器件具有靈敏度高
，響應時間短等優點。此外用ZnO作為表麵聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數。

 

（2） 高分子壓電材料

 

mouxiehechenggaofenzijuhewubomojingyanzhanlashenhedianchangjihuahou
，juyouyidingdeyadianxingneng，zheleibomochengweigaofenziyadianbomo。muqianchuxiandeyadianbomoyoujuerfuyixiPVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC
、聚γ甲基-L穀氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產和製成較大的麵積。

 

4、壓電材料的主要特性參數

 

1）壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數

，它直接關係到壓電輸出的靈敏度。

 

2）彈性常數：壓電材料的彈性常數、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。

　　

3）介電常數：對於一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

　　

4） 機械耦合係數：在壓電效應中，其值等於轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根
；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。

　　

5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏
，從而改善壓電傳感器的低頻特性。

　　

6）居裏點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居裏點。

　　

 

1、壓電式傳感器的等效電路

 

將(jiang)壓(ya)電(dian)晶(jing)片(pian)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)的(de)兩(liang)個(ge)晶(jing)麵(mian)封(feng)裝(zhuang)上(shang)金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji)後(hou)，就(jiu)構(gou)成(cheng)了(le)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)。當(dang)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)受(shou)力(li)時(shi)，就(jiu)會(hui)在(zai)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)上(shang)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)，因(yin)此(ci)，壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)電(dian)荷(he)源(yuan)；兩個電極之間是絕緣的壓電介質，因此它又相當於一個以壓電材料為介質的電容器，其電容值為 Ca = εRε0A/δ

 

v壓電元件等效為一個與電容相並聯的電荷源
，也可以等效為一個與電容相串聯的電壓源。

 

 

壓ya電dian式shi傳chuan感gan器qi不bu能neng用yong於yu靜jing態tai測ce量liang。壓ya電dian元yuan件jian隻zhi有you在zai交jiao變bian力li的de作zuo用yong下xia，電dian荷he才cai能neng源yuan源yuan不bu斷duan地di產chan生sheng，可ke以yi供gong給gei測ce量liang回hui路lu以yi一yi定ding的de電dian流liu，故gu隻zhi適shi用yong於yu動dong態tai測ce量liang。

 

 

2、壓電式傳感器測量電路

 

壓電式傳感器的內阻很高
，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合
，與一般的放大、檢波
、顯示
、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。

 

壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個：一是把傳感器的高阻抗輸出變為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進行放大。

 

根gen據ju壓ya電dian式shi傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo原yuan理li及ji等deng效xiao電dian路lu，它ta的de輸shu出chu可ke以yi是shi電dian荷he信xin號hao，也ye可ke以yi是shi電dian壓ya信xin號hao
，因yin此ci與yu之zhi配pei套tao的de前qian置zhi放fang大da器qi也ye有you電dian荷he放fang大da器qi和he電dian壓ya放fang大da器qi兩liang種zhong形xing式shi。

 

由於電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關，故目前多采用電荷放大器。

 

(1)電荷放大器

 

v並聯輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實際上是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路.

 

電荷放大器原理圖

 

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。

 

(2)電壓放大器（阻抗變換器）

 

串(chuan)聯(lian)輸(shu)出(chu)型(xing)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)可(ke)以(yi)等(deng)效(xiao)為(wei)電(dian)壓(ya)源(yuan)，但(dan)由(you)於(yu)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)容(rong)量(liang)很(hen)小(xiao)
，因(yin)而(er)其(qi)電(dian)壓(ya)源(yuan)等(deng)效(xiao)內(nei)阻(zu)很(hen)大(da)
，在(zai)接(jie)成(cheng)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)型(xing)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)時(shi)，要(yao)求(qiu)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)不(bu)僅(jin)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)放(fang)大(da)倍(bei)數(shu)，而(er)且(qie)應(ying)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)。

 

 

 

1
、玻璃打碎報警裝置

 

將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上

，可以感受到玻璃破碎時會發出的振動
，並將電壓信號傳送給集中報警係統。

 

 

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁製成10´20mm大小。在它的正反兩麵各噴塗透明的二氧化錫導電電極
，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。並用保護膜覆蓋。

 

使用時，用瞬幹膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間
，壓電薄膜感受到劇烈振動
，表麵產生電荷Q
，在兩個輸出引腳之間產生窄脈衝報警信號。

 

壓ya電dian傳chuan感gan器qi隻zhi能neng應ying用yong於yu動dong態tai測ce量liang。由you於yu外wai力li作zuo用yong在zai壓ya電dian元yuan件jian上shang產chan生sheng的de電dian荷he隻zhi有you在zai無wu泄xie漏lou的de情qing況kuang下xia才cai能neng保bao存cun，即ji需xu要yao測ce量liang回hui路lu具ju有you無wu限xian大da的de輸shu入ru阻zu抗kang，這zhe實shi際ji上shang是shi不bu可ke能neng的de，因yin此ci壓ya電dian式shi傳chuan感gan器qi不bu能neng用yong於yu靜jing態tai測ce量liang。壓ya電dian元yuan件jian在zai交jiao變bian力li的de作zuo用yong下xia，電dian荷he可ke以yi不bu斷duan補bu充chong，可ke以yi供gong給gei測ce量liang回hui路lu以yi一yi定ding的de電dian流liu，故gu隻zhi適shi用yong於yu動dong態tai測ce量liang（一般必須高於100Hz，但在50kHz以上時
，靈敏度下降）。

 

2．壓電式周界報警係統

 

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米範圍內探測人的步行, 對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理係統分辨出來。下圖為測量係統的輸出波形。

 

 

3.交通監測

 

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數
、軸距

、輪距
、單雙輪胎）
、車速監測、收費站地磅
、闖紅燈拍照
、停車區域監控、交通數據信息采集（道路監控）及機場滑行道等。

 

 

4

、壓電式動態力傳感器

 

車床中用於動態切削力的測量

 

 

5
、壓電式振動加速度傳感器

 

加速度傳感器可以用於判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側壁上
，盡量使點火時刻接近爆震區而不發生爆震，但又能使發動機輸出盡可能大的扭矩。

 

 

汽(qi)車(che)發(fa)動(dong)機(ji)中(zhong)的(de)氣(qi)缸(gang)點(dian)火(huo)時(shi)刻(ke)必(bi)須(xu)十(shi)分(fen)精(jing)確(que)。如(ru)果(guo)恰(qia)當(dang)地(di)將(jiang)點(dian)火(huo)時(shi)間(jian)提(ti)前(qian)一(yi)些(xie)，即(ji)有(you)一(yi)個(ge)提(ti)前(qian)角(jiao)，就(jiu)可(ke)使(shi)汽(qi)缸(gang)中(zhong)汽(qi)油(you)與(yu)空(kong)氣(qi)的(de)混(hun)合(he)氣(qi)體(ti)得(de)到(dao)充(chong)分(fen)燃(ran)燒(shao)
，使(shi)扭(niu)矩(ju)增(zeng)大(da)
，排(pai)汙(wu)減(jian)少(shao)。但(dan)提(ti)前(qian)角(jiao)太(tai)大(da)時(shi)，混(hun)合(he)氣(qi)體(ti)產(chan)生(sheng)自(zi)燃(ran)，就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)衝(chong)擊(ji)波(bo)
，發(fa)出(chu)尖(jian)銳(rui)的(de)金(jin)屬(shu)敲(qiao)擊(ji)聲(sheng)，稱(cheng)為(wei)爆(bao)震(zhen)，可(ke)能(neng)使(shi)火(huo)花(hua)塞(sai)、活塞環熔化損壞
，使缸蓋、連杆
、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測並控製之。

 

 

現xian在zai的de大da型xing精jing密mi係xi統tong對dui質zhi量liang和he體ti積ji大da小xiao都dou非fei常chang的de關guan注zhu，傳chuan統tong的de大da塊kuai頭tou的de壓ya電dian傳chuan感gan器qi將jiang逐zhu步bu的de失shi去qu其qi市shi場chang。隨sui著zhe新xin材cai料liao及ji新xin加jia工gong技ji術shu的de開kai發fa，利li用yong激ji光guang等deng各ge種zhong微wei細xi加jia工gong技ji術shu製zhi成cheng的de矽gui加jia速su度du傳chuan感gan器qi由you於yu具ju有you體ti積ji非fei常chang的de小xiao

、互換性及可靠性都很好的吸引力
，正在逐步取代傳統的壓電傳感器。

 

壓ya電dian傳chuan感gan器qi的de功gong能neng已yi經jing突tu破po傳chuan統tong的de功gong能neng
，其qi輸shu出chu不bu再zai是shi一yi個ge單dan一yi的de模mo擬ni信xin號hao，而er是shi經jing過guo微wei電dian腦nao處chu理li後hou的de數shu字zi信xin號hao
，有you的de壓ya電dian傳chuan感gan如ru集ji成cheng後hou的de壓ya電dian傳chuan感gan器qi其qi本ben身shen帶dai有you控kong製zhi功gong能neng
，這zhe就jiu是shi所suo說shuo的de數shu字zi傳chuan感gan器qi。

 

現代半導體技術日趨先進和成熟的情況下，未來的壓電加速度傳感器會與後續處理電路集成在一塊，體積更小，性能卻更優。

 

本文來源於傳感器技術。