了解压电传感器：压电效应

压电加速度计的个关键方面是压电效应。一般来说，压电材料在受到机械应力时可以产生电力。

相反，对压电材料施加电场可以使其变形并产生小的机械力。尽管大多数电子工程师都熟悉压电效应，但有时并没有完全理解这种有趣现象的细节。

更深入地了解这种效应可以帮助我们更好地理解压电传感器的工作原理。图 1 显示了外部机械力对压电材料的影响。

没有机械应力 (a) 和有应力 (b) 的压电材料。

图 1.没有机械应力 (a) 和有应力 (b) 的压电材料。图片（改编）由Felix Levinzon提供

如图1（a）所示，在没有机械应力的情况下，分子的负电荷和正电荷中心重合，这意味着分子呈电中性。

如图 1(b) 所示，施加机械力会使结构变形并分离分子正负电荷的中心，在材料中产生许多小偶极子。

正如您所看到的，一些固定电荷出现在压电材料的表面。产生的电荷量与施加的力成正比。

压电材料如何产生电流

压电材料是一类介电材料。它们是绝缘体或非常差的电流导体。然而，通过在压电材料的相对表面上沉积两个金属电极，我们可以利用压电效应产生的电场来发电。

如果我们通过电线将两个电极连接在一起，如图 1(b) 所示，导体中的自由电子就会流向带正电的电极，并产生电流。该电流在正极上积聚自由电子，并在与压电效应产生的原始场相反的方向上产生电场。

这种效应解释了为什么静力产生的电流只能持续很短的时间。电流持续存在，直到自由电子积累产生的电场抵消了压电效应产生的电场。

现在，如果我们去除外力，材料恢复到原来的形状，压电效应产生的电场消失，这意味着相反方向的电流流过电线。

压电加速度计的结构

在压电加速度计中，压电元件用于将已知质量（通常称为检验质量）连接到加速度计主体。

当传感器框架因外力而加速时，检验质量块由于其惯性而倾向于“向后移动”并使压电元件轻微变形。这使得压电元件产生电荷输出，可以测量该电荷输出以确定输入加速度。

图 2 描述了压电加速度计的一些常见机械设计。三种基本设计是压缩模式、剪切模式和弯曲模式。

压电加速度计的一些机械设计。

 
图 2.压电加速度计的一些机械设计。图片（改编）由PCB Piezotronics提供

该图还说明了检验质量施加在压电元件上的力以及施加到传感器主体上的加速度。