一文詳解壓電加速度計

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

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

壓電加速度計的第一個關鍵方面是壓電效應。一般來說，壓電材料在受到機械應力時可以產生電能。

相反，對壓電材料施加電場可以使其變形并產生很小的機械力。盡管大多數EE都熟悉壓電效應，但這種有趣現象的細節有時并不完全清楚。

更深入地了解這種效應可以幫助我們更好地了解壓電傳感器的工作原理。圖1顯示了外部機械力對壓電材料的影響。

圖1.無機械應力（a）和有應力（b）的壓電材料。圖片（改編）由FelixLevinzon提供

如圖1（a）所示，在沒有機械應力的情況下，分子的正負電荷中心重合，這意味著分子是電中性的。

如圖1（b）所示，施加機械力會使結構變形并分離分子的正電荷和負電荷的中心，從而在材料中產生許多小偶極子。

如您所見，一些固定電荷出現在壓電材料的表面上。產生的電荷量與施加的力成正比。

壓電材料如何產生電流

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產生的電場來發電。

如果我們通過如圖1（b）所示的導線將兩個電極連接在一起，則導體中的自由電子會流向帶正電的電極并產生電流。該電流在正極上積聚自由電子，并在與壓電效應產生的原始電場相反的方向上產生電場。

這種效應解釋了為什么由靜力產生的電流只能持續很短的時間。電流一直持續到自由電子積累產生的電場抵消了壓電效應產生的電場。

現在，如果我們去除外力，材料恢復到原來的形狀，壓電效應產生的電場消失，這意味著相反方向的電流流過導線。

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量的質量（通常稱為檢驗質量）連接到加速度計主體。

當傳感器框架因外力而加速時，質量塊因其慣性而趨于“后退”并使壓電元件發生輕微變形。這使得壓電元件產生可測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的一些常見機械設計。三種基本設計是壓縮模式、剪切模式和彎曲模式。

圖2.壓電加速度計的一些機械設計。圖片（改編）由PCBPiezotronics提供

該圖還說明了質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。

加速度計機械設計模式的優缺點

機械配置可以以幾種不同的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變的敏感性產生影響。

例如，對于壓縮模式傳感器，我們有一個剛性結構，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定環境或可能彎曲的金屬結構上使用。

在剪切模式傳感器中，壓電元件在受到加速度時會發生剪切變形。這種類型還具有高頻范圍，同時不易受基座彎曲和溫度變化的影響。剪切模式加速度計是最流行的配置。

彎曲類型的結構剛度較小，因此提供了較低的頻率范圍。對于這種類型，壓電元件對于給定的加速度值會經歷相對較大的應變。因此，這種結構提供了更高的靈敏度；但是，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FelixLevinzon提供

壓電加速度計范圍：頻率上限

就像MEMS加速度計一樣，壓電加速度計的工作基于牛頓第二運動定律。質量塊和壓電元件可以通過質量-阻尼-彈簧結構建模。

質量位移可以用經典的二階運動微分方程來描述。該機械系統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

根據經驗，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，則響應誤差應小于約12%。

要了解有關質量阻尼彈簧系統的頻率響應的更多信息，請參閱這篇文章。

壓電加速度計范圍：頻率下限

如圖4所示，壓電加速度計不具備真正的直流響應能力，也無法執行真正的靜態測量。

圖4.顯示安裝諧振頻率為10kHz的壓電加速度計的頻率響應的圖表。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，下限頻率還受壓電元件參數和加速度計和放大器之間電纜電容的影響。

正確設計的壓電加速度計的下限頻率可以低于1Hz。但是，應該注意的是，這些傳感器不能提供真正的直流響應。

例如，他們無法測量重力施加的力。盡管乍一看這似乎是一個大問題，但應該注意的是，許多應用不需要測量幾分之一赫茲范圍內的加速度信號。因此，在許多應用中，缺乏真正的直流響應并不是真正的缺點。

值得注意的是，除了放大器的較低截止頻率限制之外，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部電阻（以及信號調理電路的輸入電阻）會產生與傳感器并聯的電阻。

這種寄生電阻會為傳感器的輸出電流創建不希望的泄漏路徑，并為系統的可用頻率范圍設置下限。