了解壓電傳感器：壓電效應(yīng)

    壓電加速度計的個關(guān)鍵方面是壓電效應(yīng)。一般來說，壓電材料在受到機械應(yīng)力時可以產(chǎn)生電力。
    相反，對壓電材料施加電場可以使其變形并產(chǎn)生小的機械力。盡管大多數(shù)電子工程師都熟悉壓電效應(yīng)，但有時并沒有完全理解這種有趣現(xiàn)象的細節(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 顯示了外部機械力對壓電材料的影響。

    沒有機械應(yīng)力 (a) 和有應(yīng)力 (b) 的壓電材料。

    圖 1.沒有機械應(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，在沒有機械應(yīng)力的情況下，分子的負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，施加機械力會使結(jié)構(gòu)變形并分離分子正負電荷的中心，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，通過在壓電材料的相對表面上沉積兩個金屬電極，我們可以利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場來發(fā)電。
    如果我們通過電線將兩個電極連接在一起，如圖 1(b) 所示，導(dǎo)體中的自由電子就會流向帶正電的電極，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)生的原始場相反的方向上產(chǎn)生電場。
    這種效應(yīng)解釋了為什么靜力產(chǎn)生的電流只能持續(xù)很短的時間。電流持續(xù)存在，直到自由電子積累產(chǎn)生的電場抵消了壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場。
    現(xiàn)在，如果我們?nèi)コ饬Γ牧匣謴?fù)到原來的形狀，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場消失，這意味著相反方向的電流流過電線。
    壓電加速度計的結(jié)構(gòu)
    在壓電加速度計中，壓電元件用于將已知質(zhì)量（通常稱為檢驗質(zhì)量）連接到加速度計主體。
    當(dāng)傳感器框架因外力而加速時，檢驗質(zhì)量塊由于其慣性而傾向于“向后移動”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的一些常見機械設(shè)計。三種基本設(shè)計是壓縮模式、剪切模式和彎曲模式。

    壓電加速度計的一些機械設(shè)計。

    圖 2.壓電加速度計的一些機械設(shè)計。圖片（改編）由PCB Piezotronics提供
    該圖還說明了檢驗質(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。