【正文】 英晶體的每一個晶體單元中 ， 有三個硅離子和六個氧離子 ， 正負離子分布在正六邊形的頂角上 ， 當無外力作用時 ， 正 、 負電荷中心重合 ， 對外不顯電性 。 F yF yB+++++++A++ +c ） y 軸 方 向 施 加 壓 力B+++++++AF xF x++ +b ） x 軸 方 向 施 加 拉 力++ +B++ +++++AF xF x++ +B++ +++++AF yF yd ) y 軸 方 向 施 加 拉 力a ） x 軸 方 向 施 加 壓 力圖 222 石英晶體的結構及壓電效應 當在 X軸向施加壓力 時， 各晶格上的帶電粒子均產生相對位移 ，氧離子擠入兩個硅離子之間，而硅離子也擠入兩個氧離子之間，正電荷中心向 B面移動，負電荷中心向 A面移動，因而 B面呈現(xiàn)正電荷， A面呈現(xiàn)負電荷。 當在 X軸向施加 拉力 時，各晶格上的帶電粒子均沿 X軸向外產生位移，因而 A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負電荷。 在 Y方向施加 壓力 時，晶格沿 y軸被向內壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負電荷 在 Y方向施加 拉力 時，晶格在 y向被拉長， X向縮短， B面呈現(xiàn)正電荷， A面呈現(xiàn)負電荷。 若沿 Z 軸方向施加力的作用時， 由于硅離子和氧離子是對稱的平移， 故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產生 壓電效應。這就是適應晶體壓電效應 產生的過程。 ? 從晶體上沿 XYZ軸線切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。當沿著 X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于 X軸的表面上產生電荷，這種現(xiàn)象稱為 縱向壓電效應 。 ? 沿著 y軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與 X軸垂直的表面上，這稱之為 橫向壓電效應 。當沿著Z軸方向受力時不產生壓電效應。 石英晶體的 縱、橫向壓電效應 縱向壓電效應 ? 縱向壓電效應產生的電荷為 QXX＝ dXXFX (214) 式中， QXX 為垂直于 X軸平面上的電荷， dXX為縱向壓電系數(shù)， 下標的意義為產生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向； FX 為沿晶軸 X方向施加的壓力。 ? 由上式看出，當晶片受到 X向的壓力作用時， QXX 與作用力 Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關。如果作用力 Fx改為拉力時，則在垂直于 X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。 122. 3 10XX Cd N???? 如果沿 Y軸方向作用壓力 Fy時，電荷仍出現(xiàn)在與 X軸相垂直的平面上，橫向壓電效應產生的荷量為 式中， QXY為在 垂直于 X軸平面上的電荷 , dXY為在垂直于 X軸平面上產生電荷時的壓電系數(shù)（橫向壓電系數(shù) ） ； FY為沿晶軸 Y方向施加的壓力。 ? 根據(jù)石英晶體的對稱條件 dXY= dXX，所以 X Y X Y YaQ d Fb?X Y X X YaQ d Fb??橫向壓電效應 石英晶體的電氣性能 ? 石英晶體是一種單晶體結構 ,有天然和人工培養(yǎng)兩種 。 ? 溫度穩(wěn)定性好 ,壓電常數(shù)幾乎不隨溫度變化 。 ? 自振頻率高 ,動態(tài)響應好 ,線性范圍寬 ,機械強度好 。 ? 靈敏度低 ,介電常數(shù)小 。 ? 多用于標準傳感器或使用溫度較高的傳感器中 . 石英晶體振蕩器（晶振） 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(wěn)定的振蕩輸出頻率。 晶振 石英晶體的應用 ? 用于制造選擇和控制頻率的電子元器件，廣泛應用于電子信息產業(yè)各領域，如彩電、空調、電腦、 DVD、無電線通訊等，尤其在高性能電子設備及數(shù)字化設備中應用日益擴大。 2. 壓電陶瓷 ? 壓電陶瓷是人工制造的一種多晶壓電體，它有無數(shù)的單晶組成，各單晶的自發(fā)極化方向是任意排列的，如圖 223a所示。因此，雖然每個單晶具有強的壓電性質，但組成多晶后，各單晶的壓電效應卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，不具有壓電效應。為了使壓電陶瓷具有壓電效應，就必須進行極化理。所謂 極化處理 就是在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷 施加強電場 ，使極性軸轉動到接近電場方向，規(guī)則排列，如圖 223b所示。這個方向就是壓電陶瓷的極化方向，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，留下了很強的剩余極化強度。當壓電陶瓷受到力的作用時，極化強度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會出現(xiàn)電荷。 對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向為 Z軸。 （二）壓電陶瓷的特點 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。其材料種類很多，應用最廣泛的是鋯鈦酸鉛（ PZT）。 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 應用 ? 壓電點火器 、移動X光電源、炮彈引爆裝置。 電子打火機 機械品質因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩(wěn)定應用不理想。 例子 當你在點燃煤氣灶或熱水器時 ,就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。 生產廠家在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓 ,進而將電能引向燃氣的出口放電。于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。 3. 高分子的壓電材料 ? 高分子的壓電材料是一種新型的材料，有 聚偏二氟乙烯（ PVF2）、聚偏氟乙烯（ PVDF） 、聚氟乙烯（ PVF）、改性聚氟乙烯（ PVC） 等，其中以 PVF2和 PVDF的 壓電常數(shù) 最高。 ? 有的材料比壓電陶瓷還要高幾十倍，其輸出脈沖電壓有的可以直接驅動 CMOS集成門電路。 ? 高分子壓電材料的最大特點是具有柔軟性，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)極化處理后就現(xiàn)出壓電特性。它不易破碎，具有防水性，動態(tài)范圍寬，頻響范圍大，但工作溫度不高，（一般低于 100℃ ，且隨溫度升高，靈敏度降低），機械強度也不高，容易老化，因此常用于對測量精度要求不高的場合，例如水聲測量、防盜、震動測量等方面。 可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 壓電式傳感器的等效電路 ? 由壓電傳感器的工作原理可知，只要測得壓電元件上的電荷量，就可得知作用力的大小，壓電元件就像當于一個 電荷源 。如果在壓電元件上沿電荷面的兩面覆以金屬，那么壓電元件就像當于以壓電材料為介質的電容器，其電容值為 aACb??等效電路 ? 壓電元件可以等效為一個與電容相 并聯(lián) 的電荷源，如圖 225a所示。 ? 由于電容器上的電壓 （開路電壓）、電荷 與電容 存在下列關系： 圖 225 壓電元件的等效電路 aaQuC?au Q aC因此，壓電元件也可以等效為電壓源和一個電容串聯(lián)的等效電路，如圖 225b所示 ? 如上圖所示，兩片壓電片負極都集中于中間電極上，正極在上下兩面電極上。這種接法稱為 并聯(lián) 。上極板為正電荷，下極板為負電荷，而中間極板上，上片產生的負電荷與下片產生的正電荷抵消，這種接法稱為 串聯(lián) 。 1. 壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián) 1aCCn? a? au n u?aC nC? aQ nQ?auu?串聯(lián)時輸出總電容為 總電荷量為 總電壓為 并聯(lián)時輸出總電容為 總電荷量為 總電壓為 ?在這兩種接法中， 并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大 ，因此時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。 ?串聯(lián)接法輸出電壓高，自身電容小 ，適用于以電壓為輸出量，以及測量電路輸入阻抗很高的場合。 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容 CC，放大器的輸入電阻 Ri和輸入電容 Ci以及傳感器的泄漏電阻 Ra。圖２ 2６ 畫出了壓電傳感器完整的等效電路。 圖 226 壓電傳感器實際的等效電路 ２ . 壓電傳感器測量電路 ?壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，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 。 ?壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器 和電荷放大器 。 （１）電壓放大器 tCdFuami ?s i n?C = CC + Ci； Ua=Q/Ca 圖 228 電壓放大器電路原理圖及其等效電路 aiaiRRRRR? ?如果壓電傳感器受力為 F = Fm sinωt 則在壓電元件上產生的電壓為 111 1 ( )11i a maaRjCRjRjCu u d Fj R C CRjCjCRjC??????????????放大器輸入端形成的電壓 imi c aduFC C C???當 ωR（ Ca+Cc+Ci）》 1時，放大器的輸入電壓為 111 1 ( )11i a maaRjCRjRjCu u d Fj R C CRjCjCRjC??????????????由式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關，當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時， Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設計時，通常把電纜長度定為一常數(shù)，使用時如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。 （ 2) 電荷放大器 ?電荷放大器是一種 輸出電壓與輸入電荷量 成正比的前置放大器。它實際上是一個具有反饋電容的高增益運算放大器。圖２ ２９是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中 Cf為放大器的反饋電容，其余符號的意義與電壓放大器相同。 （ a） （ b） 圖 229 電荷放大器等效電路 電荷放大器等效電路 0i c a f A QU=C + C + C + ( 1 + A ) C0 fQU C??電荷放大器輸出 式中， A為開環(huán)放大系數(shù)。常為 當 A1，而 (1+A)Cf Ca+Cc+Ci時，放大器輸出電壓可以表示為 4610 ~ 100fQUC??其他電荷放大器外形 面板式電荷放大器 壓電傳感器只能應用于動態(tài)測量 由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器 不能用于靜態(tài)測量 。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在 50kHz以上時，靈敏度下降）。 壓電式傳感器的應用 ?被測力通過傳力上蓋使壓電陶瓷片受壓力作用而產生電荷。壓電陶瓷片通常采用兩片（或兩片以上）粘結在一起。這種傳感器主要用于變化頻率不太高的動態(tài)力的測量。 1. 壓電式單向測力傳感器 2. 壓電式振動加速度傳感器 ?傳感器的輸出電荷即與被測物體的振動加速度成正比。結構中的彈簧是給壓電晶片施加預緊力的，預緊力應適中。 Q d F d m a? ? ? ?3．玻璃破碎報警裝置 ? 采用高分子壓電薄膜振動感應片，如圖 232所示，將其粘貼在玻璃上，當玻璃遭暴力打碎的瞬間，會發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的振動。壓電薄膜感受到這一振動，并將這一振動轉換成電壓信號傳送給報警系統(tǒng)。 ? 這種壓電薄膜振動感應片透明且小，不易察覺，所以可用于貴重物品、展館、博物館等櫥窗的防盜報警。 圖 232 高分子壓電薄膜振動感應片 壓電式動態(tài)力傳感器以及在 車床中用于動態(tài)切削力的測量 壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用 壓電式步態(tài)