压电传感器介绍

压电传感器介绍
用于感应和激励的压电传感器应用延伸到了许多领域。本文主要介绍对一些物理强度的感应，即加速度、振动、振荡和压力，从传感器及其要求信号调节的角度来看其可以被认为是类似的。就加速度而言，传感器灵敏度通常被表示为一个与外力即加速度（大多数时候称作重力加速度g）成比例关系的电荷。然而，从严格物理意义上来讲，传感器输出一个实际由其变形/偏斜情况决定的电荷。
例如，显示了安装于顶部位置的一个传感器，与此同时底部正受到一个外力的拉拽，即Fext。在使用加速计的情况下，固定端（顶部）会粘附在要测量加速度的物体上，同时外力为粘附于另一端（底部）的质量的惯性，而这一端不断想要保持静止。就固定于顶端的参考坐标系而言（假设传感器充当的是一个弹簧，其具有很高的弹簧系数 K），偏斜x会形成一种反作用力：Fint = Kx                      (1)
最终，质量（传感器偏斜）将会在下列情况下停止移动/改变：
Fint = Fext = Kx                  (2)
1 加速度力作用下的传感器
由于电荷Q与偏斜成比例关系（一阶），而偏斜与力成比例关系，因此Q与力也成比例关系。施加一个 Fmax 最大值的正弦力，会形成一个Qmax最大值的正弦电荷。换句话说，当正弦力为最大值时，对来自传感器的电流求积分可得到Qmax。增加正弦波的频率，同时会增加电流；但是会更快地达到峰值，即保持积分(Qmax) 恒定。厂商会以传感器可用频率范围内Qmax与Fmax的比率来说明灵敏度规范。但是，由于传感器的机械性质，传感器实际上有谐振频率（可用频率范围以上），其中一个即使很小的振荡力都会产生相对较大的偏转，从而得到较大的输出振幅。
如果忽略谐振的影响，则我们可以将压电传感器一阶建模为一个与传感器寄生电容（此处称作Cd）并联的电流源，或者也可以将其建模为一个与Cd串联的电压源。该电压为存储电荷时在传感器阳极上看到的等效电压。但是，我们需要注意的是，就许多应用的仿真而言，第二种方法要更加简单一些。如前所述，电流与偏斜变化的速率成比例关系；例如，拿恒幅加速度的正弦AC曲线来说，电流生成器的振幅必须根据频率来改变。

最后，如果这种生成器需要代表实际物理信号，则可以使用变压器，如2所示。本例中，我们建模了一个具有0.5pC/g灵敏度和500pF寄生电容的生成器。正弦波生成器每单位g输出1V以实现仿真。变压器在其次级线圈将它向下调节至 1mV。施加给C1（500 pF）的1mV摆动，将会如我们预计的那样在下一级注入 Q = VC = 0.5 pC。
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