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。

 

yanjixiezhoufangxiangdelizuoyongzaijingtishangshi，chanshengdedianheyujingtiqiemiandejihechicunyouguan，shizhongdefuhaoshuomingyanjixiezhoudeyaliyinqidedianhejixingyuyandianzhoudeyaliyinqidedianhejixingqiahaoxiangfan。

 

2
、壓電陶瓷

 

 

壓ya電dian陶tao瓷ci是shi人ren工gong製zhi造zao的de多duo晶jing體ti壓ya電dian材cai料liao。材cai料liao內nei部bu的de晶jing粒li有you許xu多duo自zi發fa極ji化hua的de電dian疇chou
，它ta有you一yi定ding的de極ji化hua方fang向xiang，從cong而er存cun在zai電dian場chang。在zai無wu外wai電dian場chang作zuo用yong時shi
，電dian疇chou在zai晶jing體ti中zhong雜za亂luan分fen布bu

，它ta們men各ge自zi的de極ji化hua效xiao應ying被bei相xiang互hu抵di消xiao，壓ya電dian陶tao瓷ci內nei極ji化hua強qiang度du為wei零ling。因yin此ci原yuan始shi的de壓ya電dian陶tao瓷ci呈cheng中zhong性xing，不bu具ju有you壓ya電dian性xing質zhi。

 

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

 

某(mou)些(xie)合(he)成(cheng)高(gao)分(fen)子(zi)聚(ju)合(he)物(wu)薄(bo)膜(mo)經(jing)延(yan)展(zhan)拉(la)伸(shen)和(he)電(dian)場(chang)極(ji)化(hua)後(hou)
，具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)壓(ya)電(dian)性(xing)能(neng)，這(zhe)類(lei)薄(bo)膜(mo)稱(cheng)為(wei)高(gao)分(fen)子(zi)壓(ya)電(dian)薄(bo)膜(mo)。目(mu)前(qian)出(chu)現(xian)的(de)壓(ya)電(dian)薄(bo)膜(mo)有(you)聚(ju)二(er)氟(fu)乙(yi)烯(xi)PVF2、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

 

jiangyadianjingpianchanshengdianhedelianggejingmianfengzhuangshangjinshudianjihou，jiugouchengleyadianyuanjian。dangyadianyuanjianshoulishi，jiuhuizailianggedianjishangchanshengdianhe
，yinci，yadianyuanjianxiangdangyuyigedianheyuan
；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。

 

genjuyadianshichuanganqidegongzuoyuanlijidengxiaodianlu，tadeshuchukeyishidianhexinhao
，yekeyishidianyaxinhao，yinciyuzhipeitaodeqianzhifangdaqiyeyoudianhefangdaqihedianyafangdaqiliangzhongxingshi。

 

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）

 

chuanlianshuchuxingyadianyuanjiankeyidengxiaoweidianyayuan
，danyouyuyadianxiaoyingyinqidedianronglianghenxiao
，yinerqidianyayuandengxiaoneizuhenda，zaijiechengdianyashuchuxingceliangdianlushi，yaoqiuqianzhifangdaqibujinyouzugoudefangdabeishu，erqieyingjuyouhengaodeshuruzukang。

 

 

 

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。