EETOP編譯自allaboutcircuits
原文：
https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-piezoelectric-accelerometers-piezoelectric-sensor-basics/
壓電加速度計(jì)通常用于振動(dòng)和沖擊測(cè)試測(cè)量。這些設(shè)備非常適合測(cè)量在液壓和氣動(dòng)擾動(dòng)、脈沖（沖擊）力、機(jī)械和設(shè)備振動(dòng)、煙火沖擊等中發(fā)現(xiàn)的高頻加速度信號(hào)。
在本文中，我們將簡(jiǎn)單介紹這些傳感器的基本概念。
了解壓電傳感器：壓電效應(yīng)
壓電加速度計(jì)的第一個(gè)關(guān)鍵要素是壓電效應(yīng)。一般來說，壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)可以產(chǎn)生電能。
相反，對(duì)壓電材料施加電場(chǎng)可以使其變形并產(chǎn)生很小的機(jī)械力。盡管大多數(shù) EE 都熟悉壓電效應(yīng)，但這種有趣現(xiàn)象的細(xì)節(jié)有時(shí)并不完全清楚。
更深入地了解這種效應(yīng)可以幫助我們更好地了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。
圖 1.無機(jī)械應(yīng)力 (a) 有應(yīng)力 (b) 的壓電材料
如圖1（a）所示，在沒有機(jī)械應(yīng)力的情況下，分子的正負(fù)電荷中心重合，這意味著分子是電中性的。
如圖 1(b) 所示，施加機(jī)械力會(huì)使結(jié)構(gòu)變形并分離分子的正電荷和負(fù)電荷的中心，從而在材料中產(chǎn)生許多小偶極子。
如您所見，一些固定電荷出現(xiàn)在壓電材料的表面上。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。它們是絕緣的或?qū)щ姌O差。然而，通過在壓電材料的相對(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)來發(fā)電。
如果我們通過如圖 1(b) 所示的導(dǎo)線將兩個(gè)電極連接在一起，則導(dǎo)體中的自由電子會(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)生的原始電場(chǎng)相反的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。
這種效應(yīng)解釋了為什么由靜力產(chǎn)生的電流只能持續(xù)很短的時(shí)間。電流一直持續(xù)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?，材料恢?fù)到原來的形狀，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)消失，這意味著會(huì)有相反方向的電流流過導(dǎo)線。
壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)
在壓電加速度計(jì)中，壓電元件用于將一個(gè)質(zhì)量塊連接到加速度計(jì)主體。
當(dāng)傳感器框架因外力而加速時(shí)，質(zhì)量塊因其慣性而趨于“后退”并使壓電元件發(fā)生輕微變形。這使得壓電元件產(chǎn)生可測(cè)量的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。
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
該圖還說明了質(zhì)量塊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。
加速度計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)模式的優(yōu)缺點(diǎn)
機(jī)械配置可以以幾種不同的方式影響傳感器性能。它會(huì)對(duì)傳感器靈敏度、帶寬、溫度敏感性以及對(duì)傳感器基座應(yīng)變的敏感性產(chǎn)生影響。
例如，對(duì)于壓縮模式傳感器，我們有一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，可以提供相對(duì)較高的頻率范圍。然而，在壓縮模式傳感器中，壓電材料與外殼底部緊密接觸，傳感器對(duì)底部彎曲和熱膨脹敏感。
這就是為什么這種類型可能不適合在熱不穩(wěn)定環(huán)境或可能彎曲的金屬結(jié)構(gòu)上使用。
在剪切模式傳感器中，壓電元件在受到加速度時(shí)會(huì)發(fā)生剪切變形。這種類型還具有高頻范圍，同時(shí)不易受基座彎曲和溫度變化的影響。剪切模式加速度計(jì)是最流行的配置。
彎曲類型的結(jié)構(gòu)剛度較小，因此提供了較低的頻率范圍。對(duì)于這種類型，壓電元件對(duì)于給定的加速度值會(huì)經(jīng)歷相對(duì)較大的應(yīng)變。因此，這種結(jié)構(gòu)提供了更高的靈敏度；但是，它相對(duì)脆弱。下表提供了這三種類型的比較。
表 1. 三種壓電加速度計(jì)模式的比較。圖片由Felix Levinzon提供
壓電加速度計(jì)范圍：頻率上限
就像MEMS 加速度計(jì)一樣，壓電加速度計(jì)的工作基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。質(zhì)量塊和壓電元件可以通過質(zhì)量-阻尼-彈簧結(jié)構(gòu)建模。
質(zhì)量位移可以用經(jīng)典的二階運(yùn)動(dòng)微分方程來描述。該機(jī)械系統(tǒng)的共振行為定義了壓電加速度計(jì)的頻率上限，如圖 3 所示。
圖 3. MEMS 加速度計(jì)的諧振頻率。圖片由BKSV提供
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果我們將輸入加速度的頻率限制在加速度計(jì)諧振頻率的三分之一以下，則響應(yīng)誤差應(yīng)小于約 12%。
壓電加速度計(jì)范圍：頻率下限
如圖 4 所示，壓電加速度計(jì)不具備真正的直流響應(yīng)能力，也無法執(zhí)行真正的靜態(tài)測(cè)量。
圖 4. 顯示安裝諧振頻率為 10 kHz 的壓電加速度計(jì)的頻率響應(yīng)的圖表
壓電加速度計(jì)的頻率下限由傳感器后面的放大器的下限截止頻率決定。
對(duì)于電壓模式放大器，頻率下限還受壓電元件參數(shù)和放置在加速度計(jì)和放大器之間的電纜電容的影響。
正確設(shè)計(jì)的壓電加速度計(jì)的下限頻率可以低于 1 Hz。但是，應(yīng)該注意的是，這些傳感器不能提供真正的直流響應(yīng)。
例如，他們無法測(cè)量重力施加的力。盡管乍一看這似乎是一個(gè)大問題，但應(yīng)該注意的是，許多應(yīng)用不需要測(cè)量幾分之一赫茲范圍內(nèi)的加速度信號(hào)。因此，在許多應(yīng)用中，缺乏真正的直流響應(yīng)并不是真正的缺點(diǎn)。
值得注意的是，除了放大器的較低截止頻率限制之外，基于壓電的傳感本身并不適合真正的直流測(cè)量。這是因?yàn)閭鞲衅鞯膬?nèi)部電阻（以及信號(hào)調(diào)理電路的輸入電阻）會(huì)產(chǎn)生與傳感器并聯(lián)的電阻。
這種寄生電阻會(huì)為傳感器的輸出電流創(chuàng)建不希望的泄漏路徑，并為系統(tǒng)的可用頻率范圍設(shè)置下限。
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