掌握道路交通压电传感器的基本原理掌握道路交通压电传感器的基本原理2 2、2 2 压电传感器压电传感器目录目录41.1传感器概述12351.2压电传感器1.3光电传感器1.4电涡流传感器1.5微波传感器671.6超声波传感器1.7图像传感器3思考思考n什么是压电式传感器n什么是压电效应？正压电效应传感器能否测静态信号？为什么？n石英晶体的压电效应有何特点？并说明什么是纵向压电效应？什么是横向压电效应？以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等压电式传感器具有压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等结构简单、工作可靠、重量轻等优点1.2 压电式传感器压电式传感器一、压电效应一、压电效应正压电效应正压电效应（顺压电效应顺压电效应）：某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方向一定方向对其对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。
当上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变作用力方向改变时，电荷极性也随着改变逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：当在电介质的）：当在电介质的极化方向极化方向施加电场，施加电场，这些电介质就在这些电介质就在一定方向一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，并垂称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的直于光轴的XX轴称为电轴；与轴称为电轴；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴（垂轴（垂直于正六面体的棱面）称为直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向的力作用方向的力作用下产生电荷的压电效应称为下产生电荷的压电效应称为“纵纵向压电效应向压电效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电方向的力作用下产生电荷的压电效应称为效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿，沿光轴光轴ZZ方向受力则不产生压电方向受力则不产生压电效应。
效应一）石英晶体的压电效应（一）石英晶体的压电效应 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的组成石英石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的组成石英晶体的硅离子晶体的硅离子Si4+和氧离子和氧离子O2-在在Z平面投影，如图平面投影，如图(a)为讨论方为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+9 当作用力当作用力FX=0时，正、负离子（即时，正、负离子（即Si4+和和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角夹角的偶极矩的偶极矩P1、P2、P3，如图（，如图（a）所示此时正负电）所示此时正负电荷中心重合，电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的压力（方向的压力（FX0在在Y、Z方向上的分量为方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴轴方向则不出现电荷。
方向则不出现电荷Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向产生正压电效应，方向产生正压电效应，而而Y、Z方向则不产生压电效应方向则不产生压电效应晶体在晶体在Y轴方向力轴方向力FY作用下的情况与作用下的情况与FX相似当FY0时，晶体的形变与图时，晶体的形变与图（b）相似；当）相似；当FY0时，则与图（时，则与图（c）相似由此可见，晶体在）相似由此可见，晶体在Y（即机械轴）（即机械轴）方向的力方向的力FY作用下，使它在作用下，使它在X方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压方向则不产生压电效应P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（）作用时，其变化情况如图（c）此时电极矩的三个分量为电极矩的三个分量为在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷方向则不出现电荷晶体在晶体在Z轴方向力轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿的作用下，因为晶体沿X方向和沿方向和沿Y方向所产方向所产生的生的正应变正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。
这就表明，沿量和等于零这就表明，沿Z(即光轴即光轴)方向的力方向的力FZ作用下，晶体不产作用下，晶体不产生压电效应生压电效应假设从石英晶体上切下一片平行六面体假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶晶体切片，使它的晶面分别平行于面分别平行于X、Y、Z轴，如图并在垂直轴，如图并在垂直X轴方向两面用真空镀膜轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面或沉银法得到电极面当晶片受到沿当晶片受到沿X轴方向的压轴方向的压缩应力缩应力XX作用时，晶片将产生作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象厚度变形，并发生极化现象在晶体线性弹性范围内，在晶体线性弹性范围内，极化极化强度强度PXX与应力与应力XX成正比成正比ZYXbl石英晶体切片t式中式中 FXX轴方向的电场强度；轴方向的电场强度；d11压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体不同，石英晶体d11=2.310-12CN-1；l、b石英晶片的长度和宽度石英晶片的长度和宽度极化强度极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中式中 q qX X垂直于垂直于X X轴平面上的电荷。
轴平面上的电荷将上两式整理，得将上两式整理，得 lbFddPXXXXX1111lbqPXXX式中式中 电极面间电容电极面间电容XXFdq11XXXXXCFdCqU11tlbCrX0其极间电压为其极间电压为根据逆压电效应，晶体在根据逆压电效应，晶体在X轴方向将产生伸缩，即轴方向将产生伸缩，即 或用应变表示，则或用应变表示，则式中式中 EXX轴方向上的电场强度轴方向上的电场强度在在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)XXEdtUdtt1111FXFX+(a)(b)XXt=d11UX 如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与与X轴垂直平面上出现，其极性见图（轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（）、（d），此时电荷的），此时电荷的大小为大小为+(c)(d)FYFYXXYYXYFtldFtblbdq1212式中式中 d12石英晶体在石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。
轴方向受力时的压电系数根据石英晶体轴对称条件：根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为，则上式为式中式中 t晶片厚度晶片厚度则其极间电压为则其极间电压为 YXYFtldq12XYXXYXCFtldCqU11根据逆压电效应，晶片在根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩变形，即轴方向将产生伸缩变形，即或用应变表示或用应变表示由上述可知：由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的XUtldl11XEdll11压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴是分子自发形成它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。
在无外电的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后（二）（二）压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应18当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，无法测出陶瓷片内部存在当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，无法测出陶瓷片内部存在的极化强度的极化强度陶瓷片内的极化强度总是以陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。
所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释极化强度也变小因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象当压力撤消后，陶瓷片恢复原状放，而出现放电荷现象当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀这是一个膨胀过程过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象这种由机械效应转变为电效上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。
这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，化强度增大这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）同理，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转生缩短形变这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应变为机械能的现象，就是逆压电效应逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）极 化方向电场方向 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在瓷内部存在自发极化自发极化这些自发极化经过极化工序处理这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度如果而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应此外，还可以看出，陶生变化，陶瓷就出现压电效应。
此外，还可以看出，陶瓷内的瓷内的极化电荷是束缚电荷极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动所以在陶瓷中产生的放电或充电缚电荷不能自由移动所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果自由电荷的释放或补充的结果种类种类：n压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等压电半导体，如硫化锌、碲化镉等对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：转换性能要求具有较大压电常数转换性能要求具有较大压电常数机械性能压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械性能压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部电性能希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性分布电容的影响并获得良好的低频特性环境适应性强温度和湿度稳定性要好，要求具有较高环境适应性强。
温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围的居里点，获得较宽的工作温度范围时间稳定性要求压电性能不随时间变化时间稳定性要求压电性能不随时间变化二、压电材料二、压电材料（一）（一）石英晶体石英晶体 石英（石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体其介电常数和压）是一种具有良好压电特性的压电晶体其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图化，如下两图由图可见，在由图可见，在20200范围内，温度每升高范围内，温度每升高1，压电系数仅减少，压电系数仅减少0.016但是当到但是当到573时，它完全失去了压电特性，这就是它的时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里居里点点1.000.990.980.970.960.952040 60 80 100120140 160180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特性6543210100 200 300 400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。
但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得能也相当好但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多因此一般仅用于多因此一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中或要求较高的传感器中因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型石英晶片的切型符号表示方法：石英晶片的切型符号表示方法：uIRE标准规定的切型符号表示法；标准规定的切型符号表示法；u习惯符号表示法习惯符号表示法IRE标准规定的切型符号包括一组字母（标准规定的切型符号包括一组字母（X、Y、Z、t、l、b）和角）和角度用X、Y、Z中任意两个字母的中任意两个字母的先后排列顺序先后排列顺序，表示石英晶片，表示石英晶片厚度厚度和和长度长度的的原始方向原始方向；用字母；用字母t（厚度）、（厚度）、l（长度）、（长度）、b（宽度）表示旋（宽度）表示旋转轴的位置。
当角度为正时转轴的位置当角度为正时,表示逆时针旋转；当角度为负时表示逆时针旋转；当角度为负时,表示顺表示顺时针旋转例如：时针旋转例如：(YXl)35切型，其中第一个字母切型，其中第一个字母Y表示石英晶片在原表示石英晶片在原始位置始位置(即旋转前的位置即旋转前的位置)时的厚度时的厚度ZZOOYYZXX35(a)(b)（YXl）35切型（a）石英晶片原始位置（b）石英晶片的切割方位沿沿Y轴方向，第二个字母轴方向，第二个字母X表示石表示石英晶片在原始位置时的长度沿英晶片在原始位置时的长度沿X轴方向，第三个字母轴方向，第三个字母l和角度和角度35表示石英晶片绕长度逆时针旋转表示石英晶片绕长度逆时针旋转35，如图Y又如（又如（XYtl）5/-50切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿X轴方向，长度沿轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度轴方向，先绕厚度t逆时针旋转逆时针旋转5，再绕长度，再绕长度l顺顺时针旋转时针旋转50，如图习惯符号表示法是石英晶体习惯符号表示法是石英晶体特有特有的表示法，它由两个大写的的表示法，它由两个大写的英文字母组成例如，英文字母组成例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和和FC等。
等OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位（二）（二）压电陶瓷压电陶瓷 1 1、钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（和二氧化钛（TiO2）按按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷分子比例在高温下合成的压电陶瓷它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）不足之处是居里温度低（倍）不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械），温度稳定性和机械强度不如石英晶体强度不如石英晶体2 2、锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好此外，在锆钛酸中各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的以获得不同性能的PZT材料。
因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压材料因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料电式传感器中应用最广泛的压电材料4、压电半导体材料、压电半导体材料 如如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点此外用响应时间短等优点此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数可测取力和温度等参数3 3、压电聚合物、压电聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的）是目前发现的压电效应较强的聚合物聚合物薄膜薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有但是它们具有“平面锯齿平面锯齿”结构，存在抵消不了的结构，存在抵消不了的偶极子偶极子经延展和拉伸后可以使分子展和拉伸后可以使分子链轴链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生上产生自发极化偶极子自发极化偶极子当在膜厚方向加直流高压电场极化后，当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。
这种薄膜有可挠性，并就可以成为具有压电性能的高分子薄膜这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性容易制成大面积压电元件这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成好、频带宽为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料混合复合材料(PVF2PZT)一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（四）集成压电式传感器（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用三、压电式传感器的应用三、压电式传感器的应用 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力反的惯性力，此力Fma同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为电荷为 运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一）压电式加速度传感器压电式加速度传感器其结构一般有纵向效应型、横向效应型其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。
纵向效应是最常见和剪切效应型三种纵向效应是最常见的的,如图压电陶瓷如图压电陶瓷4和质量块和质量块2为环型，为环型，通过螺母通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上测量时将传感器基座在压电陶瓷上测量时将传感器基座5与与被测对象牢牢地紧固在一起输出信号被测对象牢牢地紧固在一起输出信号由电极由电极1引出qd33Fd33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小其灵敏度与此式表明电荷量直接反映加速度大小其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关为了提高传压电材料压电系数和质量块质量有关为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度此外用增加压电片数目和采用提高传感器灵敏度此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度合理的连接方法也可提高传感器灵敏度连接方式：图连接方式：图(a)为并联形式，片上的为并联形式，片上的负极负极集中在中间极上，其输出电容集中在中间极上，其输出电容C为单为单片电容片电容C的两倍，但输出电压的两倍，但输出电压U等于单片电压等于单片电压U，极板上电荷量，极板上电荷量q为单片电荷量为单片电荷量q的两倍，即的两倍，即图图(b)为串联形式，为串联形式，正电荷正电荷集中在上极板，集中在上极板，负电荷负电荷集中在下极板，而中间的极集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。
从图中可知，输出的总电荷板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消从图中可知，输出的总电荷q等于单等于单CCUU22；片电荷片电荷q，而输出电压，而输出电压U为单片电为单片电压压U的二倍，总电容的二倍，总电容C为单片电容为单片电容C的一半，即的一半，即CCUU212；+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+l并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合以电荷作为输出量的场合l串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合量电路输入阻抗很高的场合二）（二）压电式压力传感器压电式压力传感器 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式但它们的基本原理相同压电式测压传感器的原理简图它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷在一个压电片上所产生的电荷q为 SPdFdq1111F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。
SFP 123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图 测压传感器的输入量为压力测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压电晶，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：片组成，则根据灵敏度的定义有：PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSdku因为因为 ，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度（三）（三）压电式流量计压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量其测量利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间每隔一段时间(如如1/100s)，发射和接收互换一次在顺流和逆流，发射和接收互换一次在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比据这个关系，可的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比据这个关系，可精确测定流速流速与管道横截面积的乘积等于流量。
精确测定流速流速与管道横截面积的乘积等于流量流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响其准确度可达分的影响其准确度可达0.5%，有的可达到，有的可达到0.01%根据发射和接收的相位差随海洋深度深根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的变化，测量声速随深度的分布情况（四）集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域脉搏计照片 典型应用：脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等 。