《傳感器原理及應(yīng)用》課件第5章

第5章壓電式傳感器5.1壓電式傳感器的原理5.2壓電材料5.3壓電式傳感器的等效電路5.4壓電式傳感器的測量電路5.5壓電式傳感器的應(yīng)用本章小結(jié)習(xí)題實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)建議5.1壓電式傳感器的原理

5.1.1壓電效應(yīng)及其可逆性

由物理學(xué)知道，自然界的32種晶體點(diǎn)陣中，有中心對(duì)稱和非對(duì)稱兩大類，在非中心對(duì)稱的21種晶體點(diǎn)陣中，有20種有壓電效應(yīng)，這一現(xiàn)象是晶體缺乏中心對(duì)稱引起的。某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，如圖5-1所示。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”（順壓電效應(yīng)）。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場時(shí)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，當(dāng)外電場撤去時(shí)，這些變形也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。圖5-1壓電效應(yīng)原理示意圖壓電效應(yīng)的這種可逆性如圖5-2所示，利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換。

具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料，在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、壓電陶瓷等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。圖5-2壓電效應(yīng)的可逆性5.1.2石英晶體的壓電效應(yīng)

1.石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體，其化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)，理想的形狀為六角椎體，如圖5-3（a）所示。石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有不同的物理特性，可用x、y、z軸來描述。圖5-3石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片

z

軸：通過錐頂端的軸線，是縱向軸，稱為光軸，沿該軸方向受力不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

x軸：經(jīng)過六面體的棱線并且垂直于z軸的軸為x軸，稱為電軸（壓電效應(yīng)只在該軸的兩個(gè)表面產(chǎn)生電荷集聚），沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。

y軸：與x、z軸同時(shí)垂直的軸為y軸，稱為機(jī)械軸。在電場作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯。沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。

2.作用力和電荷的關(guān)系

壓電方程是關(guān)于壓電體中電位移、電場強(qiáng)度、受力之間關(guān)系的方程組。常表示為：

當(dāng)壓電元件受到外力f作用時(shí)，在相應(yīng)的表面產(chǎn)生表面電荷q。其關(guān)系為

q=dijf

（5-1）

式中，d為壓電系數(shù)，其下標(biāo)i=1,2,3，表示晶體的極化方向；j=1,2,3,4,5,6表示晶體的受力面。（1）沿x軸方向施加作用力：

將在yOx平面上產(chǎn)生電荷，其大小為

qx=d11fx

（5-2）

式中，d11為沿x方向受力的壓電系數(shù)；fx為x軸方向的作用力。電荷qx的符號(hào)根據(jù)fx為壓力或拉力而決定。從式（6-2）可見，沿電軸方向的力作用于晶體時(shí)所產(chǎn)生的電荷量qx的大小與切片的幾何尺寸無關(guān)。（2）沿y軸方向施加作用力:

仍然在yOx平面上產(chǎn)生電荷，但極性方向相反，其大

小為（5-3）式中，d12為沿y方向受力的壓電系數(shù)(石英軸對(duì)稱d12=－d11);

fy為y軸方向的作用力；a為切片的長度；b為切片的厚度。（3）沿z軸方向施加作用力:不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，沒有電荷產(chǎn)生。

根據(jù)上述分析，石英晶體切片上受力發(fā)生壓電效應(yīng)時(shí)，所產(chǎn)生的電荷符號(hào)與受力方向的關(guān)系如圖5-4所示。圖5-4石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系

3.石英晶體的壓電效應(yīng)特性與其內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)

石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖5-5是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。正負(fù)離子分布于正六邊形的頂點(diǎn)上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩，三個(gè)正離子和三個(gè)負(fù)離子的中心連接分別組成一個(gè)正三角形，此時(shí)，兩個(gè)正三角的重心重合，即正負(fù)電荷的重心重合，相互平衡，電偶極矩的矢量和為0，整個(gè)晶體呈電中性，如圖5-5（a）所示。圖5-5石英晶體壓電效應(yīng)示意圖(a)未受力時(shí)；(b)受沿x軸方向的力時(shí)；(c)受沿y軸方向的力時(shí)（1）當(dāng)石英晶體受沿x軸方向的作用力時(shí)，

晶體沿該方向產(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置發(fā)生變動(dòng)，如圖5-5（b）所示。此時(shí)，兩個(gè)三角形的重心不再重合，即正負(fù)電荷的重心不再重合，在x軸的上方出現(xiàn)正電荷，在y軸方向不出現(xiàn)電荷。（如果是受拉力作用，則出現(xiàn)的電荷極性方向相反，即上方為負(fù)電荷，下方為正電荷。）（2）當(dāng)石英晶體受沿y軸方向的作用力時(shí)，

晶體沿該方向產(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置發(fā)生變動(dòng)，如圖5-5（c）所示。此時(shí)，兩個(gè)三角形的重心不再重合，即正負(fù)電荷的重心不再重合，在x軸的上方出現(xiàn)負(fù)電荷，

下方出現(xiàn)正電荷,在y方向上不出現(xiàn)電荷。（如果是受拉力作用，則出現(xiàn)的電荷極性方向相反，即上方為正電荷，下方為負(fù)電荷。）（3）當(dāng)石英晶體受沿z軸方向的作用力時(shí),

因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，此時(shí)，兩個(gè)三角形的重心仍然重合，即正負(fù)電荷重心保持重合，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.1.3壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。原始的壓電陶瓷材料沒有壓電效應(yīng)，陶瓷燒結(jié)后由自發(fā)的電偶極矩形成的微小極化區(qū)域稱為“電疇”。

材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì),如圖5-6（a）所示。圖5-6壓電陶瓷的極化

(a)未極化;(b)電極化在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。當(dāng)外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性,如圖5-6（b）所示。極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸平面上的任何直線都可作為x軸或y軸，這是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向上受力時(shí)，則在垂直于z軸

的上、下兩表面上將出現(xiàn)電荷，如圖5-7（a）所示。

垂直于z軸的上、下兩表面上的電荷量為

q=d33fz（5-4）

式中,d33為壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)。圖5-7壓電陶瓷的變形方式（a）縱向變形;（b）橫向變形;（c）體積變形壓電陶瓷在受到如圖5-7（b）所示的作用力fy或沿x方向

的作用力fx時(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)負(fù)、

正電荷，其電荷量為式中，Az為極化面面積；Ax、Ay為受力面面積；d32、d31為壓電陶瓷的橫向壓電常數(shù)。

5.2壓電材料

壓電材料的主要特性參數(shù)如下：

（1）壓電常數(shù)。壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

（2）彈性常數(shù)。壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。

（3）介電常數(shù)。對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

（4）機(jī)械耦合系數(shù)。機(jī)械耦合系數(shù)的意義是在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)械能-電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（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）居里點(diǎn)溫度。居里點(diǎn)溫度是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。

常用的壓電材料的性能參數(shù)如表5-1所示。選取合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下因素：

（1）轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電系數(shù)。

（2）機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以獲得寬的線性范圍和高的固有振蕩頻率。（3）電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。

（4）環(huán)境適應(yīng)性：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。

（5）時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間退化。5.2.1石英晶體

石英是一種具有良好壓電特性的壓電晶體，在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化；它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但是石英材

料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低很多，因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀表或要求較高的傳感器中。5.2.2壓電陶瓷

1.鈦酸鋇壓電陶瓷

最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按1∶1摩爾分子比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，

使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。

2．鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）

目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO3）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb

（ZrTi）O3），居里點(diǎn)在300℃以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。5.2.3新型壓電材料

1.壓電半導(dǎo)體材料

壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

2.高分子壓電材料

某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙

烯PVC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(chǎn)和制作較大的面積。5.3壓電式傳感器的等效電路

壓電式傳感器對(duì)被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此壓電式傳感器等效為一個(gè)電容器，正、負(fù)電荷聚集的兩個(gè)表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間

物質(zhì)相當(dāng)于一種介質(zhì)，其電容量為（5-6）式中，A為壓電片的面積；d為壓電片的厚度；εr為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，其兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷，此時(shí)，壓電元件的開路電壓為（5-7）因此，壓電式傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源,如圖5-8（a）所示。壓電式傳感器也可等效為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容器的并聯(lián)，如圖5-8（b）所示。圖5-8壓電元件的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)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(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖5-9所示。圖5-9壓電式傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源等效電路；（b）電荷源等效電路5.4壓電式傳感器的測量電路

5.4.1壓電元件的連接

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有并聯(lián)和串聯(lián)兩種，如圖5-10所示。圖5-10壓電元件的連接方式(a)相同極性端粘結(jié)；(b)不同極性端粘結(jié)從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力

相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖5-10（a）是兩個(gè)壓電片的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極

成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正、負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖5-10（b）是兩壓電片不同極性端粘結(jié)在一起，從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正、負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場合。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。壓電式傳感器在測量低壓力時(shí)線性度不好，這主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱為預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。特別是壓電式傳感器只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。5.4.2壓電式傳感器的測量電路

壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，一般稱為阻抗變換器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。這兩種放大器的主要區(qū)別是：使用電壓放大器時(shí)，測量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變化很敏感，連接電纜的長度變化明顯影響測量系統(tǒng)的輸出；而使用電荷放大器時(shí)，電纜長度變化的影響幾乎可忽略不計(jì)。但與電壓放大器相比，電荷放大器價(jià)格高得多，電路也較復(fù)雜，調(diào)整起來比較困難。

1.電壓放大器

圖5-11（a）、(b)是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。

將圖中的Ra、Ri并聯(lián)成為等效電阻R，將Cc和Ci并聯(lián)為等效電容C，于是有圖5-11電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路；（b）等效電路若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電荷為

q=df=dFmsinωt（5-8）

對(duì)應(yīng)的電壓為（5-9）式中，Um=dFm／Ca為壓電元件輸出電壓幅值。

因此，送到放大器輸入端的電壓為

（5-10）Ui的幅值Uim為（5-11）輸入電壓與作用力之間的相位差為（5-12）令τ=R（Ca+Cc+Ci），稱為測量回路的時(shí)間常數(shù)，并令ω0=1/τ，則可得（5-13）分析（5-13）可知，如果ω/ω0>>1，即作用力變化頻率與測量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)，前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無關(guān)。一般認(rèn)為ω/ω0>>3時(shí)，可近似看做輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。

2.電荷放大器

電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)

電阻。其等效電路如圖5-12所示。圖5-12電荷放大器等效電路輸入到放大器的電荷量為

qi=q－qf

（5-14）

由圖可知，（5-15）式（5-15）中，A為放大器的開環(huán)增益，所以有（5-16）且由圖可知，（5-17）由式（5-14）~式（5-17）整理得到放大器的輸出電壓為（5-18）分析式（5-18）可知，當(dāng)A>>1時(shí)，可化簡為（5-19）由式（5-19）可以看出,當(dāng)A足夠大時(shí)，輸出電壓與A無關(guān)，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量q及放大器的反饋電容Cf有關(guān)，改變Cf的大小便可得到所需的電壓輸出。而傳感器本身的電容Ca和Cc將不影響電荷放大器的輸出。

5.5壓電式傳感器的應(yīng)用

壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計(jì)或壓電加速度表，是目前使用最廣泛的測量加速度的傳感器。壓電式加速度傳感器廣泛用于檢測導(dǎo)彈、飛機(jī)、車輛等的沖擊和振

動(dòng)。其結(jié)構(gòu)圖如圖5-13所示。圖5-13壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖壓電式加速度傳感器主要由壓電片、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。測量時(shí)，將傳感器基座與被測物牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極引出。

當(dāng)待測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，基座與待測物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，由于質(zhì)量塊相對(duì)被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力F作用。據(jù)牛頓第二定律，有

F=ma

該慣性力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷為

q=d33F=d33ma

（5-20）

式中，d33為壓電元件的等效壓電常數(shù)；m為質(zhì)量塊的質(zhì)量；a為被測加速度。式（5-20）表明電荷量直接反映加速度的大小。

電荷靈敏度kq為（5-21）由式（5-21）可知，壓電加速度傳感器的電荷靈敏度與壓電元件的形狀無關(guān)，僅與壓電材料的壓電常數(shù)和質(zhì)量塊的質(zhì)量有關(guān)。傳感器的輸出電壓為U=q／C，若傳感器的電容量C不變，則（5-22）電壓靈敏度為（5-2３）式（5-23）說明，電壓靈敏度kV隨壓電元件形狀的變化而變化。這是因?yàn)殡娙萘渴怯蓧弘娫男螤顩Q定的。

壓電式加速度傳感器具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、堅(jiān)實(shí)牢固、振動(dòng)頻率高、加速度的測量范圍大、工作溫度范圍寬等。本章小結(jié)

1.當(dāng)電介質(zhì)沿一定方向受到外力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常見的壓電材料有壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。

2.石英晶體在右旋直角坐標(biāo)系中，z軸稱為光軸，該方向上沒有壓電效應(yīng)；x軸稱為電軸，垂直于x的晶面上壓電效應(yīng)最顯著；y軸稱為機(jī)械軸，沿y軸方向上的機(jī)械變形最

顯著。沿x軸施加力時(shí)，受力的兩晶面上產(chǎn)生異性電荷，稱為縱向壓電效應(yīng)；沿y軸施加力時(shí)，受力的兩個(gè)晶面上不產(chǎn)生電荷，而仍在沿x軸加力的兩個(gè)晶面上產(chǎn)生異性電荷，稱

為橫向壓電效應(yīng)。用石英晶體制作的壓電式傳感器中主要用縱向壓電效應(yīng)。它的特點(diǎn)是晶面上產(chǎn)生的電荷密度與作用在晶面上的壓力成正比，而與晶片的厚度、面積無關(guān)。石英晶體具有除壓電系數(shù)較小外的很多優(yōu)點(diǎn)，尤其穩(wěn)定性是其他壓電材料無法比擬的。

3.壓電陶瓷是人工制造的多晶體，由無數(shù)細(xì)微的電疇組成。電疇具有自發(fā)的極化方向，經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷具有良好的壓電效應(yīng)，它的壓電常數(shù)比石英晶體大得多。采用壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度

較高。

4.壓電元件可以等效成一個(gè)電荷源和一個(gè)電容并聯(lián)的等效電路，它是內(nèi)阻很大的信號(hào)源。測量中要求與它配接的放大器具有較高的輸入阻抗。目前多用電荷放大器，它是一個(gè)電

容負(fù)反饋高放大倍數(shù)運(yùn)算放大器。該放大器的輸出電壓只與壓電元件產(chǎn)生的電荷量和反饋電容有關(guān)，而與配接電纜長度無關(guān)。為了提高靈敏度，可將同型號(hào)的壓電片疊在一起，連接電路有串聯(lián)和并聯(lián)之分。

5.壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量頻率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但它不能測量頻率太低的被測量，更不能測量靜態(tài)量，目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力（或壓力）的測量。習(xí)題

1.什么是壓電效應(yīng)？什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？

2.為什么壓電式傳感器不宜測量靜態(tài)或變化緩慢的信號(hào)？

3.石英晶體x、

y、

z軸的名稱及其特點(diǎn)是什么？

4.壓電