壓電加速度計通常用于振動和沖擊測試。這些設(shè)備非常適合測量在液壓和氣動擾動、脈沖（沖擊）力、機械和設(shè)備振動、煙火沖擊等中發(fā)現(xiàn)的高頻加速度信號。

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)

壓電加速度計的個關(guān)鍵方面是壓電效應(yīng)。通常，壓電材料在受到機械應(yīng)力時可以發(fā)電。

相反，對壓電材料施加電場可以使其變形并產(chǎn)生很小的機械力。盡管大多數(shù) EE 都熟悉壓電效應(yīng)，但有時并未完全理解這一有趣現(xiàn)象的細節(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 顯示了外部機械力對壓電材料的影響。    

圖 1.無機械應(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，這意味著分子是電中性的。

施加機械力，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，通過在壓電材料的相對表面沉積兩個金屬電極，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?nèi)鐖D 1(b) 所示通過導(dǎo)線將兩個電極連接在一起，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。電流一直持續(xù)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，如果我們移除外力，材料恢復(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導(dǎo)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)量的質(zhì)量（通常稱為檢測質(zhì)量）連接到加速度計主體。

當(dāng)傳感器框架由于外力而加速時，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。 

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

該圖還說明了檢測質(zhì)量對壓電元件施加的力以及對傳感器主體施加的加速度。 

加速度計機械設(shè)計模式的優(yōu)缺點

機械配置會以多種不同方式影響傳感器性能。它會對傳感器靈敏度、帶寬、溫度敏感性以及對傳感器基座應(yīng)變的敏感性產(chǎn)生影響。

例如，對于壓縮模式傳感器，我們有一個剛性結(jié)構(gòu)，可以提供相對較高的頻率范圍。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會發(fā)生剪切變形。這種類型還具有高頻范圍，同時不易受底座彎曲和溫度變化的影響。剪切模式加速度計是的配置。

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。對于這種類型，對于給定的加速度值，壓電元件會經(jīng)歷相對較大的應(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. 三種壓電加速度計模式的比較。圖片由Felix Levinzon提供

壓電加速度計范圍：頻率上限

就像MEMS 加速度計一樣，壓電加速度計的運行基于牛頓第二運動定律。質(zhì)量塊和壓電元件可以通過質(zhì)量-阻尼-彈簧結(jié)構(gòu)來建模。

質(zhì)量位移可以用經(jīng)典的二階運動微分方程來描述。該機械系統(tǒng)的共振行為定義了壓電加速度計的頻率上限，如圖 3 所示。

圖 3. MEMS 加速度計的諧振頻率。圖片由BKSV提供

根據(jù)經(jīng)驗，如果我們將輸入加速度的頻率限制在加速度計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，請參閱這篇文章。

壓電加速度計范圍：頻率下限

如圖 4 所示，壓電加速度計無法實現(xiàn)真正的直流響應(yīng)，也無法執(zhí)行真正的靜態(tài)測量。 

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

壓電加速度計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)和加速度計與放大器之間的電纜電容的影響。

正確設(shè)計的壓電加速度計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，他們無法測量重力施加的力。雖然乍一看這似乎是個大問題，但應(yīng)該注意的是，許多應(yīng)用不需要測量赫茲分數(shù)范圍內(nèi)的加速度信號。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。 

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量。這是因為傳感器的內(nèi)部電阻（以及信號調(diào)理電路的輸入電阻）會產(chǎn)生與傳感器并聯(lián)的電阻。

這種寄生電阻會為傳感器的輸出電流創(chuàng)建一個不需要的泄漏路徑，并為系統(tǒng)的可用頻率范圍設(shè)置一個下限。

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