壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì )有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現非電量測量。
某些電介質(zhì)，當沿著(zhù)一定方向對其施力而使它變形時(shí)，其內部就產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現象稱(chēng)壓電效應。相反，當在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì )產(chǎn)生變形，這種現象稱(chēng)為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。
石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類(lèi)：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。
他們都具有較大的壓電常數，機械性能良好，時(shí)間穩定性好，溫度穩定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。
1、壓電晶體
石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產(chǎn)生穩定的振蕩輸出頻率。
石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規則的六角棱柱體。石英晶體有3個(gè)晶軸：x軸、y軸和z軸。vz軸又稱(chēng)光軸，它與晶體的縱軸線(xiàn)方向一致：x軸又稱(chēng)電軸，它通過(guò)六面體相對的兩個(gè)棱線(xiàn)并垂直于光軸：y軸又稱(chēng)為機械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶柱棱面。
石英晶體的壓電效應與其內部結構有關(guān)，產(chǎn)生極化現象的機理可說(shuō)明。石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個(gè)晶胞中有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列（氧離子是成隊出現的）。沿光軸看去，可以等效地認為正六邊形排列結構。
（1）在無(wú)外力作用時(shí)
（2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形
（3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生晶格變形
（4）當晶體的光軸（z軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì )引起正負電荷中心的分離，所以不會(huì )產(chǎn)生壓電效應。
沿機械軸方向的力作用在晶體上時(shí)，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，式中的負號說(shuō)明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。
2、壓電陶瓷
壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。
在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本沒(méi)變化，即剩余極化強度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。
壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關(guān)，它的參數也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。
3、新型壓電材料
（1） 壓電半導體材料
壓電半導體材料有ZnO、CdS（硫化鎘） 、CdTe（碲化鎘 ）等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數。
（2） 高分子壓電材料
某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類(lèi)薄膜稱(chēng)為高分子壓電薄膜。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。
4、壓電材料的主要特性參數
1）壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。
2）彈性常數：壓電材料的彈性常數、 剛度決定著(zhù)壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。
3）介電常數：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關(guān)；而固有電容又影響著(zhù)壓電傳感器的頻率下限。
4） 機械耦合系數：在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個(gè)重要參數。
5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。
6）居里點(diǎn)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。
1、壓電式傳感器的等效電路
將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上金屬電極后，就構成了壓電元件。當壓電元件受力時(shí)，就會(huì )在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為 Ca = εRε0A/δ
v壓電元件等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源
壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測量。
2、壓電式傳感器測量電路
壓電式傳感器的內阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。
壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個(gè)：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。
根據壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。
由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。
(1)電荷放大器
v并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路
電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。
(2)電壓放大器（阻抗變換器）
串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應引起的電容量很小，因而其電壓源等效內阻很大，在接成電壓輸出型測量電路時(shí)，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數，而且應具有很高的輸入阻抗
1、玻璃打碎報警裝置
將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì )發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號傳送給集中報警系統。
將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10′20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線(xiàn)。并用保護膜覆蓋。
使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。
壓電傳感器只能應用于動(dòng)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(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)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(dòng)態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。
2．壓電式周界報警系統
將長(cháng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽(tīng)音器的作用，可在幾十米范圍內探測人的步行, 對輪式或履帶式車(chē)輛也可以通過(guò)信號處理系統分辨出來(lái)。下圖為測量系統的輸出波形。
3.交通監測
將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車(chē)型分類(lèi)信息（包括軸數、軸距、輪距、單雙輪胎）、車(chē)速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)區域監控、交通數據信息采集（道路監控）及機場(chǎng)滑行道等。
4、壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器
車(chē)床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量
5、壓電式振動(dòng)加速度傳感器
加速度傳感器可以用于判斷汽車(chē)的碰撞，從而使**氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機輸出盡可能大的扭矩。
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精 確。如果恰當地將點(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時(shí)，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會(huì )產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱(chēng)為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過(guò)載、變形，可用壓電傳感器檢測并控制之。
向微型化智能化方向發(fā)展
現在的大型精密系統對質(zhì)量和體積大小都非常的關(guān)注，傳統的大塊頭的壓電傳感器將逐步的失去其市場(chǎng)。隨著(zhù)新材料及新加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)，利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器由于具有體積非常的小、互換性及可靠性都很好的吸引力，正在逐步取代傳統的壓電傳感器。
壓電傳感器的功能已經(jīng)突破傳統的功能，其輸出不再是一個(gè)單一的模擬信號，而是經(jīng)過(guò)微電腦處理后的數字信號，有的壓電傳感如集成后的壓電傳感器其本身帶有控制功能，這就是所說(shuō)的數字傳感器。
現代半導體技術(shù)日趨先進(jìn)和成熟的情況下，未來(lái)的壓電加速度傳感器會(huì )與后續處理電路集成在一塊，體積更小，性能卻更優(yōu)。