【導讀】壓電加速度計的個(gè)關(guān)鍵方面是壓電效應。一般來(lái)說(shuō)，壓電材料在受到機械應力時(shí)可以產(chǎn)生電力。相反，對壓電材料施加電場(chǎng)可以使其變形并產(chǎn)生小的機械力。盡管大多數電子工程師都熟悉壓電效應，但有時(shí)并沒(méi)有完全理解這種有趣現象的細節。
壓電加速度計的個(gè)關(guān)鍵方面是壓電效應。一般來(lái)說(shuō)，壓電材料在受到機械應力時(shí)可以產(chǎn)生電力。
相反，對壓電材料施加電場(chǎng)可以使其變形并產(chǎn)生小的機械力。盡管大多數電子工程師都熟悉壓電效應，但有時(shí)并沒(méi)有完全理解這種有趣現象的細節。
更深入地了解這種效應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(méi)有機械應力 (a) 和有應力 (b) 的壓電材料。
圖 1.沒(méi)有機械應力 (a) 和有應力 (b) 的壓電材料。圖片（改編）由Felix Levinzon提供
如圖1（a）所示，在沒(méi)有機械應力的情況下，分子的負電荷和正電荷中心重合，這意味著(zhù)分子呈電中性。
如圖 1(b) 所示，施加機械力會(huì )使結構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(lèi)介電材料。它們是絕緣體或非常差的電流導體。然而，通過(guò)在壓電材料的相對表面上沉積兩個(gè)金屬電極，我們可以利用壓電效應產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)發(fā)電。
如果我們通過(guò)電線(xiàn)將兩個(gè)電極連接在一起，如圖 1(b) 所示，導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，并在與壓電效應產(chǎn)生的原始場(chǎng)相反的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)。
這種效應解釋了為什么靜力產(chǎn)生的電流只能持續很短的時(shí)間。電流持續存在，直到自由電子積累產(chǎn)生的電場(chǎng)抵消了壓電效應產(chǎn)生的電場(chǎng)。
現在，如果我們去除外力，材料恢復到原來(lái)的形狀，壓電效應產(chǎn)生的電場(chǎng)消失，這意味著(zhù)相反方向的電流流過(guò)電線(xiàn)。
壓電加速度計的結構
在壓電加速度計中，壓電元件用于將已知質(zhì)量（通常稱(chēng)為檢驗質(zhì)量）連接到加速度計主體。
當傳感器框架因外力而加速時(shí)，檢驗質(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(jiàn)機械設計。三種基本設計是壓縮模式、剪切模式和彎曲模式。
壓電加速度計的一些機械設計。
圖 2.壓電加速度計的一些機械設計。圖片（改編）由PCB Piezotronics提供
該圖還說(shuō)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。
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