? ? ? ?壓電傳感器的定義

　　壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)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(yīng)力、壓力、振動(dòng)、加速度等，均可進(jìn)行測(cè)量，由于壓電效應(yīng)的可逆性，壓電元件又常用作超聲波的發(fā)射與接收裝置。

　　某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化，同時(shí)在其表面有電荷產(chǎn)生，當(dāng)外力去掉后，表面電荷消失，這種現(xiàn)象稱為壓電正向效應(yīng)。

　　反之，在電介質(zhì)的極化方向施加交變電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)，電介質(zhì)變形隨之消失。這種現(xiàn)象稱為壓電逆向效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

　　1、壓電效應(yīng)機(jī)理分析

　　具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然的石英晶體、人造的壓電陶瓷等，現(xiàn)以石英晶體為例，說明壓電效應(yīng)機(jī)理。如圖1所示為石英晶體切片，石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。 坐標(biāo)軸定義如下：

　　X軸：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。

　　Y軸：垂直于平行柱面，在電場(chǎng)作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。

　　z軸：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。

　　圖1 石英晶體切片圖

　　硅離子有4個(gè)正電荷，氧離子有2個(gè)負(fù)電荷，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。

　　2、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形相同，因而產(chǎn)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(chǎn)生的電荷極性相同。

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

　　（3）如果沿Y軸方向作用壓力Fy時(shí)，電荷仍出現(xiàn)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(zhǎng)度； δ為晶片的厚度，d12為沿Y軸方向施力的壓電常數(shù)，由于石英晶體的軸對(duì)稱，所以d12＝-d11。負(fù)號(hào)表示所產(chǎn)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(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 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(duì)介電常數(shù)（石英晶體為4.85）；

　　——真空的介電常數(shù)（ ）。

? ? ? 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(lián)或等效為一個(gè)電荷源Q和電容Ca并聯(lián)，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(guān)系為 ：

　　壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)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(shí)際等效電路