了解壓電傳感器：壓電效應

壓電加速度計的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力。相反，對壓電材料施加電場可以使其變形并產生小的機械力。盡管大多數電子工程師都熟悉壓電效應，但有時并沒有完全理解這種有趣現象的細節。

壓電加速度計的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力。
相反，對壓電材料施加電場可以使其變形并產生小的機械力。盡管大多數電子工程師都熟悉壓電效應，但有時并沒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。
沒有機械應力 (a) 和有應力 (b) 的壓電材料。

圖 1.沒有機械應力 (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，這意味著分子呈電中性。
如圖 1(b) 所示，施加機械力會使結構變形并分離分子正負電荷的中心，在材料中產生許多小偶極子。
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。它們是絕緣體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。
如果我們通過電線將兩個電極連接在一起，如圖 1(b) 所示，導體中的自由電子就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場相反的方向上產生電場。
這種效應解釋了為什么靜力產生的電流只能持續很短的時間。電流持續存在，直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電線。
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，檢驗質量塊由于其慣性而傾向于“向后移動”并使壓電元件輕微變形。這使得壓電元件產生電荷輸出，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

該圖還說明了檢驗質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。