了解压电加速度计基础知识

2022-05-11 11:25:35 来源:EETOP
EETOP编译自allaboutcircuits
原文:

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-piezoelectric-accelerometers-piezoelectric-sensor-basics/

压电加速度计通常用于振动和冲击测试测量。这些设备非常适合测量在液压和气动扰动、脉冲(冲击)力、机械和设备振动、烟火冲击等中发现的高频加速度信号。

在本文中,我们将简单介绍这些传感器的基本概念。 

了解压电传感器:压电效应

压电加速度计的第一个关键要素是压电效应。一般来说,压电材料在受到机械应力时可以产生电能。

相反,对压电材料施加电场可以使其变形并产生很小的机械力。尽管大多数 EE 都熟悉压电效应,但这种有趣现象的细节有时并不完全清楚。

更深入地了解这种效应可以帮助我们更好地了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。

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图 1.无机械应力 (a)   有应力 (b) 的压电材料 

如图1(a)所示,在没有机械应力的情况下,分子的正负电荷中心重合,这意味着分子是电中性的。

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

如您所见,一些固定电荷出现在压电材料的表面上。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。它们是绝缘的或导电极差。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。 

如果我们通过如图 1(b) 所示的导线将两个电极连接在一起,则导体中的自由电子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电场相反的方向上产生电场。

这种效应解释了为什么由静力产生的电流只能持续很短的时间。电流一直持续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,这意味着会有相反方向的电流流过导线。 

压电加速度计的结构

在压电加速度计中,压电元件用于将一个质量块连接到加速度计主体。

当传感器框架因外力而加速时,质量块因其惯性而趋于“后退”并使压电元件发生轻微变形。这使得压电元件产生可测量的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。 

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

该图还说明了质量块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。  

加速度计机械设计模式的优缺点

机械配置可以以几种不同的方式影响传感器性能。它会对传感器灵敏度、带宽、温度敏感性以及对传感器基座应变的敏感性产生影响。

例如,对于压缩模式传感器,我们有一个刚性结构,可以提供相对较高的频率范围。然而,在压缩模式传感器中,压电材料与外壳底部紧密接触,传感器对底部弯曲和热膨胀敏感。

这就是为什么这种类型可能不适合在热不稳定环境或可能弯曲的金属结构上使用。

在剪切模式传感器中,压电元件在受到加速度时会发生剪切变形。这种类型还具有高频范围,同时不易受基座弯曲和温度变化的影响。剪切模式加速度计是最流行的配置。

弯曲类型的结构刚度较小,因此提供了较低的频率范围。对于这种类型,压电元件对于给定的加速度值会经历相对较大的应变。因此,这种结构提供了更高的灵敏度;但是,它相对脆弱。下表提供了这三种类型的比较。 

表 1. 三种压电加速度计模式的比较。图片由Felix Levinzon提供

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压电加速度计范围:频率上限


就像MEMS 加速度计一样,压电加速度计的工作基于牛顿第二运动定律。质量块和压电元件可以通过质量-阻尼-弹簧结构建模。

质量位移可以用经典的二阶运动微分方程来描述。该机械系统的共振行为定义了压电加速度计的频率上限,如图 3 所示。 

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图 3. MEMS 加速度计的谐振频率。图片由BKSV提供

根据经验,如果我们将输入加速度的频率限制在加速度计谐振频率的三分之一以下,则响应误差应小于约 12%。 

压电加速度计范围:频率下限

如图 4 所示,压电加速度计不具备真正的直流响应能力,也无法执行真正的静态测量。 

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图 4. 显示安装谐振频率为 10 kHz 的压电加速度计的频率响应的图表

压电加速度计的频率下限由传感器后面的放大器的下限截止频率决定。

对于电压模式放大器,频率下限还受压电元件参数和放置在加速度计和放大器之间的电缆电容的影响。

正确设计的压电加速度计的下限频率可以低于 1 Hz。但是,应该注意的是,这些传感器不能提供真正的直流响应。

例如,他们无法测量重力施加的力。尽管乍一看这似乎是一个大问题,但应该注意的是,许多应用不需要测量几分之一赫兹范围内的加速度信号。因此,在许多应用中,缺乏真正的直流响应并不是真正的缺点。 

值得注意的是,除了放大器的较低截止频率限制之外,基于压电的传感本身并不适合真正的直流测量。这是因为传感器的内部电阻(以及信号调理电路的输入电阻)会产生与传感器并联的电阻。

这种寄生电阻会为传感器的输出电流创建不希望的泄漏路径,并为系统的可用频率范围设置下限。 

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