? ? ? ?壓電傳感器的定義

　　壓電式傳感器是一種典型的自發電型傳感器，以電介質的壓電效應為基礎，外力作用下在電介質表面產生電荷，從而實現非電量測量。

? ? ? 壓電傳感器的工作原理

? ? ? ? 壓電式傳感器由壓電傳感元件和測量轉換電路組成。壓電傳感元件是一種力敏感元件，凡是能夠變換為力的物理量，如應力、壓力、振動、加速度等，均可進行測量，由于壓電效應的可逆性，壓電元件又常用作超聲波的發射與接收裝置。

　　某些電介質在沿一定方向上受到力的作用而變形時，內部會產生極化，同時在其表面有電荷產生，當外力去掉后，表面電荷消失，這種現象稱為壓電正向效應。

　　反之，在電介質的極化方向施加交變電場，它會產生機械變形。當去掉外加電場，電介質變形隨之消失。這種現象稱為壓電逆向效應（電致伸縮效應）。

　　1、壓電效應機理分析

　　具有壓電效應的物質很多，如天然的石英晶體、人造的壓電陶瓷等，現以石英晶體為例，說明壓電效應機理。如圖1所示為石英晶體切片，石英的晶體結構為六方晶體系，化學式為SiO2。 坐標軸定義如下：

　　X軸：兩平行柱面內夾角等分線，垂直此軸壓電效應最強。稱為電軸。

　　Y軸：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機械軸。

　　z軸：無壓電效應，中心軸，也稱光軸。

　　圖1 石英晶體切片圖

　　硅離子有4個正電荷，氧離子有2個負電荷，一個硅離子和兩個氧離子交替排列。

　　2、結構特性

　　（1）沿Y軸方向作用拉力與沿X軸方向作用壓力，晶胞結構變形相同，因而產生的電荷極性相同，同樣道理，沿X軸方向作用拉力與沿Y軸方向作用壓力而產生的電荷極性相同。

　　（2）在晶體的線性彈性范圍內，當沿X軸方向作用壓力FX時，在與X軸垂直的平面上產生的電荷量為 Q＝d11FX

　　（3）如果沿Y軸方向作用壓力Fy時，電荷仍出現在與X軸相垂直的平面上，其電荷量為 Q＝d12 l/δ Fy ＝－d11 l/δ Fy

　　l 為石英晶片的長度； δ為晶片的厚度，d12為沿Y軸方向施力的壓電常數，由于石英晶體的軸對稱，所以d12＝-d11。負號表示所產生的電荷極性相反。

　　由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種介質， 則其電容量為

　　式中： A ——壓電片的面積（ ㎡ ）； ?

　　d ——壓電片的厚度（ m ）；

　　?——壓電材料的相對介電常數（石英晶體為4.85）；

　　——真空的介電常數（ ）。

? ? ? 壓電傳感器的等效電路

　　壓電元件電荷Q的開路電壓U可等效為電源與電容串聯或等效為一個電荷源Q和電容Ca并聯，如圖1所示。

　　圖1 壓電式傳感器的等效電路

　　電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關系為 ：

　　壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri ， 輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測量系統中的實際等效電路， 如圖2所示。

　　（a） 電壓源 （b） 電荷源

　　圖2 壓電傳感器的實際等效電路