【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(fù)離子分布在正六邊形的頂角上 ， 當(dāng)無外力作用時 ， 正 、 負(fù)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(jié)構(gòu)及壓電效應(yīng) 當(dāng)在 X軸向施加壓力 時， 各晶格上的帶電粒子均產(chǎn)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(fù)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(fù)電荷。 當(dāng)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(chǎn)生位移，因而 A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)電荷。 在 Y方向施加 壓力 時，晶格沿 y軸被向內(nèi)壓縮，A面呈現(xiàn)正電荷， B面呈現(xiàn)負(fù)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(fù)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(chǎn)生 壓電效應(yīng)。這就是適應(yīng)晶體壓電效應(yīng) 產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為 縱向壓電效應(yīng) 。 ? 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(yīng) 。當(dāng)沿著Z軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 石英晶體的 縱、橫向壓電效應(yīng) 縱向壓電效應(yīng) ? 縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)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(biāo)的意義為產(chǎn)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(dāng)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(guān)。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(yīng)產(chǎn)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(chǎn)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(yīng) 石英晶體的電氣性能 ? 石英晶體是一種單晶體結(jié)構(gòu) ,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(yīng)好 ,線性范圍寬 ,機(jī)械強(qiáng)度好 。 ? 靈敏度低 ,介電常數(shù)小 。 ? 多用于標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。 晶振 石英晶體的應(yīng)用 ? 用于制造選擇和控制頻率的電子元器件，廣泛應(yīng)用于電子信息產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域，如彩電、空調(diào)、電腦、 DVD、無電線通訊等，尤其在高性能電子設(shè)備及數(shù)字化設(shè)備中應(yīng)用日益擴(kuò)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(qiáng)的壓電性質(zhì)，但組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)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(yīng)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，就必須進(jìn)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(qiáng)電場 ，使極性軸轉(zhuǎn)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(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受到力的作用時，極化強(qiáng)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(nèi)外生產(chǎn)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(yīng)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(yīng)用 ? 壓電點火器 、移動X光電源、炮彈引爆裝置。 電子打火機(jī) 機(jī)械品質(zhì)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(yīng)用，但對高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。 例子 當(dāng)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(wù)了一次。 生產(chǎn)廠家在這類壓電點火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)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(chǎn)生很高的電壓 ,進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?。于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。 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(qū)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(jī)械強(qiáng)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(dāng)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(dāng)于以壓電材料為介質(zhì)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(guān)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(fù)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(fù)電荷，而中間極板上，上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)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(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(chǎn)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(dāng) 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(guān)，當(dāng)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(shè)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(dāng) 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(yīng)用于動態(tài)測量 由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)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(bǔ)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(yīng)用 ?被測力通過傳力上蓋使壓電陶瓷片受壓力作用而產(chǎn)生電荷。壓電陶瓷片通常采用兩片（或兩片以上）粘結(jié)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(jié)構(gòu)中的彈簧是給壓電晶片施加預(yù)緊力的，預(yù)緊力應(yīng)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(yīng)片，如圖 232所示，將其粘貼在玻璃上，當(dāng)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(zhuǎn)換成電壓信號傳送給報警系統(tǒng)。 ? 這種壓電薄膜振動感應(yīng)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(yīng)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(yīng)用 壓電式步態(tài)