壓電式傳感器由壓電傳感元件和測量轉換電路組成。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，如應力、壓力、振動(dòng)、加速度等，均可進(jìn)行測量，由于壓電效應的可逆性，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)，內部會(huì )產(chǎn)生極化，同時(shí)在其表面有電荷產(chǎn)生，當外力去掉后，表面電荷消失，這種現象稱(chēng)為壓電正向效應。

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

　　1、壓電效應機理分析

　　具有壓電效應的物質(zhì)很多，如天然的石英晶體、人造的壓電陶瓷等，現以石英晶體為例，說(shuō)明壓電效應機理。如圖1所示為石英晶體切片，石英的晶體結構為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。 坐標軸定義如下：

　　X軸：兩平行柱面內夾角等分線(xiàn)，垂直此軸壓電效應最強。稱(chēng)為電軸。

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

　　z軸：無(wú)壓電效應，中心軸，也稱(chēng)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)負電荷，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。

　　2、結構特性

　?。?）沿Y軸方向作用拉力與沿X軸方向作用壓力，晶胞結構變形相同，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。

　?。?）在晶體的線(xiàn)性彈性范圍內，當沿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

　?。?）如果沿Y軸方向作用壓力Fy時(shí)，電荷仍出現在與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(cháng)度； δ為晶片的厚度，d12為沿Y軸方向施力的壓電常數，由于石英晶體的軸對稱(chēng)，所以d12＝-d11。負號表示所產(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，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個(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 ）；

　　?——壓電材料的相對介電常數（石英晶體為4.85）；

　　——真空的介電常數（ ）。