壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。

當某些材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現非電量測量。

壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點，因此在各種動態力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。概述1.壓電式傳感器某些晶體，當沿著一定方向受到外力作用而變形時，內部產生極化現象，而在其表面產生電荷，當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態；這種將機械能轉換成電能的現象，稱為正壓電效應，又稱為壓電效應。當作用力方向改變，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電效應及壓電材料

石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。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。壓電材料的主要特性參數有：

（1）壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系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：對于一定形狀、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）機械耦合系數：在壓電效應中，其值等于轉換（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：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。壓電材料介紹壓電材料應具備以下幾個主要特性：①轉換性能。要求具有較大的壓電常數。②機械性能。機械強度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數。④環境適應性。溫度和濕度穩定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時間穩定性。要求壓電性能不隨時間變化。圖4-21壓電效應示意圖(a)縱向壓電效應(b)橫向壓電效應(c)切向壓電效應

石英晶體內部存在3種正壓電效應：縱向壓電效應、橫向壓電效應、切向壓電效應。下圖是幾種壓電效應的示意圖。（1）

石英晶體(1)縱向壓電效應當晶體材料受到X方向壓力時，在X方向產生正壓電效應，而Y、Z方向則不產生壓電效應，稱為縱向壓電效應。縱向壓電效應使晶面產生的電荷量和外力成正比而與黃意璧的晶片幾何尺寸無關。(2)橫向壓電效應當晶體受到沿Y方向施加的壓力時，電荷仍在垂直于X軸的平面上出現，稱為橫向壓電效應。電荷量不僅與的力大小有關，也與晶片的幾何尺寸有關(3)切向壓電效應當沿晶片相對兩平面施加外力時，晶體表面便產生電荷，這種現象稱為切向壓電效應。在幾百攝氏度的溫度范圍內，其介電常數和壓電系數幾乎不隨溫度而變化。但是當溫度升高到573℃時，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點。石英晶體的突出優點是性能非常穩定，它有很大的機械強度和穩定的機械性能。但石英材料價格昂貴，且壓電系數比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。石英晶體有天然和人工培養兩種類型。人工培養的石英晶體的物理和化學性質幾乎與天然石英晶體沒有區別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體。因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。在設計石英傳感器時，應根據不同使用要求正確地選擇石英片的切型。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，內部晶粒有許多自發極化的電疇，有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應被相互抵消,壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質。（2）壓電陶瓷極化處理后陶瓷材料內部存在很強的剩余極化,當陶瓷材料受到外力作用時,電疇的界限發生移動,電疇發生偏轉,從而引起剩余極化強度的變化,因而在垂直于極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變為電效應,將機械能轉變為電能的現象,就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成正比關系:q=d33F式中:d33——

壓電陶瓷的壓電系數;F——作用力。壓電陶瓷主要有以下幾種：1.鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數和較大的壓電系數（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點溫度低（120℃），溫度穩定性和機械強度不如石英晶體。2.鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3（鈦酸鉛

）和PbZrO3（鋯酸鉛

）組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數更大，居里點溫度在300℃以上，各項機電參數受溫度影響小，時間穩定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。（3）新型壓電材料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作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數。2.高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經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。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產和制成較大的面積。壓電式傳感器的應用

根據壓電傳感器所檢測的非電量種類，壓電傳感器的典型結構有壓電式力傳感器．壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器以及壓電式聲發射傳感器等。壓電陶瓷驅動器壓電陶瓷超聲傳感器壓電陶瓷超聲霧化片壓電陶瓷蜂鳴片壓電陶瓷大功率超聲換能器一次性塑料打火機基座1.壓電式加速度傳感器殼體預緊彈簧質量塊壓電片基座壓電加速度傳感器又稱壓電加速度計或壓電加速度表。壓電加速度傳感器廣范用于檢測導彈，飛機，車輛等的沖擊和振動當振動頻率遠低于傳感器的固有共振頻率時,傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號經前置放大器放大,即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小,從而得知物體的加速度。

采用不同的結構設計和選用不同性能的壓電材料,可以得到滿足各種使用要求的壓電加速度傳感器。2壓電諧振式傳感器

壓電諧振式傳感器是利用壓電晶體諧振器的共振頻率隨被測物理量變化而變化進行測量的。可用于測應力，應變，壓力，角速度，加速度，溫度，濕度，流速及濃度等物理量，以數字輸出。壓電晶體振蕩電路壓電式壓力傳感器由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊放在薄壁管內，并由拉緊的薄壁管對石英晶片加預載力。感受外部壓力的是位于外殼和薄壁管之間的膜片。膜片式壓力傳感器的優點是動靜態特性好，結構緊湊。3.壓電式壓力傳感器芯體外殼晶片組電極預緊筒膜片4、壓電式玻璃破碎報警器利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統。傳感器的最小輸出電壓為100mV,最大輸出電壓為100V,內阻抗為15～20kΩ。使用時傳感器用膠粘貼在玻璃上,然后通過電纜和報警電路相連。為了提高報警器的靈敏度,信號經放大后,需經帶通濾波器進行濾波。由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內,這就使濾波器成為電路中的關鍵。當傳感器輸出信號高于設定的閾值時,才會輸出報警信號,驅動報警執行機構工作。2.超聲波傳感器超聲波傳感器（超聲波探頭），是實現聲電轉換的裝置（超聲換能器）；能夠發射超聲波，也可以接收超聲回波，并轉換成電信號。聲波：頻率在20～2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波；次聲波：低于20Hz的機械波；超聲波：高于2×104Hz的機械波；當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不同，在異質界面上會產生反射、折射等現象。一、超聲波傳感器原理與種類壓電陶瓷超聲波傳感器結構：由兩個壓電元件疊合在一起構成。兩個壓電元件結構稱雙壓電晶片，一個壓電元件結構稱單壓電晶片。如果超聲波入射到壓電晶片上，壓電元件就會產生電壓。反之，把電壓加到壓電元件上也會產生超聲波。二、超聲波傳感器結構三、超聲波傳感器等效電路等效LCR串并聯諧振電路容性感性串聯諧振頻率并聯諧振頻率四、超聲波傳感器類型通用型超聲波傳感：帶寬一般為幾千赫磁；寬帶型超聲波傳感器：寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內具有兩個諧振頻率，其頻率特性相當于兩種傳感器的組合，在很寬頻帶范圍內具有較高靈敏度；密封型超聲波傳感器：密封型超聲波傳感器對環境的適應性較強，可應用于汽車后方檢測物體的裝置；高頻型超聲波傳感器：中心頻率高于100kHz。五、超聲波傳感器驅動及接收電路與晶體振蕩一樣，利用傳感器本身的諧振特性在諧振頻率附近產生振蕩的電路。

檢測的反射波從發射到接收要經過一段距離，能量衰減較大，接收到的信號極其微弱，轉換成電壓后一般最大約1V，最小約1mV；因此一股要接高增益放大器、高速運放，精度與失真度也有一定的要求。如果一級運放增益不夠，可再增加一級，每級運放的增益小于100倍即可。采用運放的接收電路LM733的增益，可設定為l0、100、400倍，但增益越高，輸入阻抗越低，一般使用設為100倍。LM733的輸入、輸出都為差動式，為把差動輸出電壓變為單端輸出電壓，采用了增益為20倍的變壓器Tl。電路中VD1、VD2及穩壓管VD3、VD4用于保護。電路中T1也可用運放替代。采用LM733視頻放大器的接收電路1、超聲測距超聲測距原理：被測距離:c---聲速t---往返飛行時間應用：適于大目標、近距離、一般精度測距手持測距儀---盲人導盲汽車倒車雷達---汽車安全工業應用---超聲測量液位、物位特點：超聲波束發散，測量范圍小波束聚焦困難，測量精度低測量目標不能太小；

超生探頭被測目標六、超聲波傳感器應用發送器：由門電路、緩沖器以及脈沖變壓器的升壓電路組成。用20Hz調制40kHz的高頻信號加到脈沖變壓器上，經脈沖變壓器升壓，得到較高的脈沖電壓供給超聲波傳感器，傳感器獲得的能量以聲能形式輻射出去。接收器：由二極管鉗位電路以及交流放大器等組成，發送接收信號共用一個超聲傳感器。2、超聲波測厚度主控制器控制發射電路，使探頭發出的超聲波到達被測物體底面反射回來，該脈沖信號又被探頭接收，經放大器放大加到示波器垂直偏轉板上標記發生器輸出時間標記脈沖信號，同時加到該垂直偏轉板上被測體的厚度h為h=ct/2式中c——超聲波的傳播速度。3、超聲波測液位

圖示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。黃意璧的探頭發出的脈沖通過介質到達液面，經液面反射后