壓電加速度計(jì)通常用于振動(dòng)和沖擊測(cè)試。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，我們將熟悉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)的個(gè)關(guān)鍵方面是壓電效應(yīng)。通常，壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)可以發(fā)電。

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)，但有時(shí)并未完全理解這一有趣現(xiàn)象的細(xì)節(jié)。

深入了解這種效應(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。    

圖 1.無(wú)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友情提供

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，這意味著分子是電中性的。

施加機(jī)械力，如圖 1(b) 所示，使結(jié)構(gòu)變形并將分子的正電荷和負(fù)電荷的中心分開，從而在材料中產(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。它們是絕緣的或非常差的電流導(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?nèi)鐖D 1(b) 所示通過(guò)導(dǎo)線將兩個(gè)電極連接在一起，則導(dǎo)體中的自由電子流向帶正電的電極并產(chǎn)生電流。該電流將自由電子聚集在正電極上，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，如果我們移除外力，材料恢復(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)導(dǎo)線。

壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)

在壓電加速度計(jì)中，壓電元件用于將已知質(zhì)量的質(zhì)量（通常稱為檢測(cè)質(zhì)量）連接到加速度計(jì)主體。

當(dāng)傳感器框架由于外力而加速時(shí)，質(zhì)量塊由于其慣性傾向于“后退”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 描繪了壓電加速度計(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(shuō)明了檢測(cè)質(zhì)量對(duì)壓電元件施加的力以及對(duì)傳感器主體施加的加速度。 

加速度計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)模式的優(yōu)缺點(diǎn)

機(jī)械配置會(huì)以多種不同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)不易受底座彎曲和溫度變化的影響。剪切模式加速度計(jì)是的配置。

彎曲型具有較低的剛性結(jié)構(gòu)，因此提供較低的頻率范圍。對(duì)于這種類型，對(duì)于給定的加速度值，壓電元件會(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；然而，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)的運(yùn)行基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。質(zhì)量塊和壓電元件可以通過(guò)質(zhì)量-阻尼-彈簧結(jié)構(gòu)來(lái)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(lái)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%。

要了解有關(guān)質(zhì)量阻尼器彈簧系統(tǒng)頻率響應(yīng)的更多信息，請(qǐng)參閱這篇文章。

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)無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的直流響應(yīng)，也無(wú)法執(zhí)行真正的靜態(tài)測(cè)量。 

圖 4. 圖表顯示了具有 10 kHz 安裝諧振的壓電加速度計(jì)的頻率響應(yīng)。圖片由Endaq提供

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)和加速度計(jì)與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)的下限截止頻率可以低于 1 Hz。然而，應(yīng)該注意的是，這些傳感器不具備真正的直流響應(yīng)能力。

例如，他們無(wú)法測(cè)量重力施加的力。雖然乍一看這似乎是個(gè)大問(wèn)題，但應(yīng)該注意的是，許多應(yīng)用不需要測(cè)量赫茲分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的加速度信號(hào)。因此，在許多應(yīng)用中，缺少真正的直流響應(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)建一個(gè)不需要的泄漏路徑，并為系統(tǒng)的可用頻率范圍設(shè)置一個(gè)下限。

在下一篇文章中，我們將了解常用于將壓電加速度計(jì)的電荷輸出轉(zhuǎn)換為可用電壓信號(hào)的電荷放大器。