了解壓電傳感器：壓電效應(yīng)

壓電加速度計(jì)的個(gè)關(guān)鍵方面是壓電效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)可以產(chǎn)生電力。相反，對(duì)壓電材料施加電場(chǎng)可以使其變形并產(chǎn)生小的機(jī)械力。盡管大多數(shù)電子工程師都熟悉壓電效應(yīng)，但有時(shí)并沒(méi)有完全理解這種有趣現(xiàn)象的細(xì)節(jié)。

壓電加速度計(jì)的個(gè)關(guān)鍵方面是壓電效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)可以產(chǎn)生電力。
相反，對(duì)壓電材料施加電場(chǎng)可以使其變形并產(chǎn)生小的機(jī)械力。盡管大多數(shù)電子工程師都熟悉壓電效應(yīng)，但有時(shí)并沒(méi)有完全理解這種有趣現(xiàn)象的細(xì)節(jié)。
更深入地了解這種效應(yīng)可以幫助我們更好地理解壓電傳感器的工作原理。圖 1 顯示了外部機(jī)械力對(duì)壓電材料的影響。
沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力 (a) 和有應(yīng)力 (b) 的壓電材料。

圖 1.沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力 (a) 和有應(yīng)力 (b) 的壓電材料。圖片（改編）由Felix Levinzon提供

如圖1（a）所示，在沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力的情況下，分子的負(fù)電荷和正電荷中心重合，這意味著分子呈電中性。
如圖 1(b) 所示，施加機(jī)械力會(huì)使結(jié)構(gòu)變形并分離分子正負(fù)電荷的中心，在材料中產(chǎn)生許多小偶極子。
正如您所看到的，一些固定電荷出現(xiàn)在壓電材料的表面。產(chǎn)生的電荷量與施加的力成正比。
壓電材料如何產(chǎn)生電流
壓電材料是一類介電材料。它們是絕緣體或非常差的電流導(dǎo)體。然而，通過(guò)在壓電材料的相對(duì)表面上沉積兩個(gè)金屬電極，我們可以利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)發(fā)電。
如果我們通過(guò)電線將兩個(gè)電極連接在一起，如圖 1(b) 所示，導(dǎo)體中的自由電子就會(huì)流向帶正電的電極，并產(chǎn)生電流。該電流在正極上積聚自由電子，并在與壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原始場(chǎng)相反的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。
這種效應(yīng)解釋了為什么靜力產(chǎn)生的電流只能持續(xù)很短的時(shí)間。電流持續(xù)存在，直到自由電子積累產(chǎn)生的電場(chǎng)抵消了壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)。
現(xiàn)在，如果我們?nèi)コ饬Γ牧匣謴?fù)到原來(lái)的形狀，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)消失，這意味著相反方向的電流流過(guò)電線。
壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)
在壓電加速度計(jì)中，壓電元件用于將已知質(zhì)量（通常稱為檢驗(yàn)質(zhì)量）連接到加速度計(jì)主體。
當(dāng)傳感器框架因外力而加速時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊由于其慣性而傾向于“向后移動(dòng)”并使壓電元件輕微變形。這使得壓電元件產(chǎn)生電荷輸出，可以測(cè)量該電荷輸出以確定輸入加速度。
圖 2 描述了壓電加速度計(jì)的一些常見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)。三種基本設(shè)計(jì)是壓縮模式、剪切模式和彎曲模式。
壓電加速度計(jì)的一些機(jī)械設(shè)計(jì)。

圖 2.壓電加速度計(jì)的一些機(jī)械設(shè)計(jì)。圖片（改編）由PCB Piezotronics提供

該圖還說(shuō)明了檢驗(yàn)質(zhì)量施加在壓電元件上的力以及施加到傳感器主體上的加速度。