1. 压电效应
某些电介质如石英、钛酸钡等，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，在它的两个相对表面上出现等量的正负电荷。当外力撤去后，又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。
当作用力的方向改变时，产生的电荷的极性也随之改变。
（a）打火机 （b）压电键盘
压电效应的应用
如果在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质又会发生机械变形，电场去掉后，电介质的变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
（a）蜂鸣器 （b）双晶超声波探头
逆压电效应的应用
在超声检测中使用的探头，是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是晶
片，晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片，它的作用是将电能和声能互相转换。
压电晶片处在电场中，在电场力的作用下发生形变，在交变电场力的作用下，发生变形的效应，称为逆压电效应，也是发射超声波的过程。
超声波是机械波，机械波是由振动产生的，超声波发现缺陷引起缺陷振动，其中一部分沿原路返回，由于超声波具有一定的能量，再作用到压电晶体上，使压电晶体在交变拉、压力作用下产生交变电场，这种效应称为正压电效应，是接收超声波的过程。正、逆压电效应统称为压电效应。
能产生压电效应的电介质被我们称为压电材料或者压电元件，依据压电效应的原理工作的一类传感器被称为压电传感器。
实验证明，在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q和所施的力F之间的关系是：
（2-9）
式中：d—压电材料的压电系数
2.压电材料及特性
（1）石英晶体
石英晶体是最常用的压电晶体之一。 它理想的几何形状为正六面体晶柱。
石英晶体
（2）压电陶瓷
压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。
当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的
剩余场极化。
当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，
引起极化强度变化，产生了压电效应。
经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约
为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。
压电陶瓷
压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。
压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。压电陶瓷制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。
压电陶瓷极化过程示意图
（3）压电薄膜
高分子压电材料是一种近年来发展较快的新型压电材料。
具有压电常数较高的特点，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)
的压电常数比压电陶瓷还高十几倍，而且非常柔软，耐冲
击、弹性柔软性好，可以加工成几微米厚的薄膜，也可以
弯曲成任何形状。
压电薄膜
3.压电式传感器的等效电路
压电元件受到外力作用后，压电元件上聚集正负电荷的两个表面类似于电容器的两个极板，所以压电元件也可看成是一个以压电元件为介质的电容器，其电容量为
（ 2-10）
ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数；d为压电元件的厚度；S为压电元件电极板面积。
电荷源 电压源
图2-11 压电元件的等效电路
压电传感器如果与测量仪表配套使用时，还应考虑连接电缆的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri，输入电容Ci及压电传感器的内阻Ra。
（a）电压源 （b）电荷源
图2-12 压电传感器实际等效电路
4．压电传感器的测量电路
（1）电压放大器
图2-13 电压放大器电路原理
（2-11）
电压放大器的输入电压与连接电缆的分布电容Cc有关。
当压电传感器放大器之间的连接电缆更换或者长度发生变化时，连接电缆的分布电容Cc变化，进而影响测量结果。
（2）电荷放大器
图2-14 电荷放大器的等效电路
（2-12）
电荷放大器的输出与分布电容CC无关
连接电缆的分布电容变化不影响灵敏度，所以电荷放大器可以远距离传输。
