【導讀】我不想詳述壓電物理；這是一個廣泛的主題，相關(guān)信息部分（上面）中列出的第二篇文章提供了很好的介紹。歸根結(jié)底，壓電效應是連接機械世界和電氣世界的橋梁。
壓電效應
我不想詳述壓電物理；這是一個廣泛的主題，相關(guān)信息部分（上面）中列出的第二篇文章提供了很好的介紹。歸根結(jié)底，壓電效應是連接機械世界和電氣世界的橋梁。
您可以對晶體管、LED、電阻器等施加所有類型的物理力，這樣做可能不會產(chǎn)生任何有用的功能。壓電設備是個例外。它們的電行為以一種可預測的方式對機械應力作出反應，聰明的人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種將這種現(xiàn)象納入技術(shù)世界的方法。
在壓電材料中，晶體結(jié)構(gòu)的物理變形（如圖所示）會導致材料產(chǎn)生電荷。
壓電換能器
“換能器”一詞通常是指在物理領域和電氣領域之間進行轉(zhuǎn)換的設備。詞源可能會幫助您記住其含義：在拉丁語中，ducere 的意思是“領導”，而trans 的意思是“跨越、超越、在另一邊”。因此，換能器是引導信號跨越邊界的東西，例如，機械變化與電氣變化分開。
換能器不一定是傳感器。嚴格來說，電機或螺線管是傳感器，因為它將電信號轉(zhuǎn)換為機械運動。但是，在我看來，“傳感器”一詞主要用于描述將物理量轉(zhuǎn)換為電信號的設備，即傳感器。
當我們考慮壓電效應的性質(zhì)時，壓電設備可以用作力傳感器就不足為奇了：壓電材料的使用使傳感器能夠以可靠且可預測的方式響應由施加的力引起的機械應力，或通過壓力或加速度（兩者都與力有關(guān)）。
模擬壓電換能器
產(chǎn)生電荷
我們可能認為壓電是一種將機械應力轉(zhuǎn)化為電壓的效應，但在我看來更準確的解釋如下：壓電換能器響應機械應力產(chǎn)生電荷。施加在壓電材料上的力與產(chǎn)生的電荷量之間的數(shù)學關(guān)系由一個系數(shù)決定，該系數(shù)用 d 表示，單位為庫侖每牛頓。（該值的名稱之一是“壓電電荷常數(shù)”，但至少使用了三個不同的術(shù)語；我將其稱為“系數(shù)”或“壓電系數(shù)”。）因此，如果壓電材料具有系數(shù)每牛頓 200 皮庫侖，它將產(chǎn)生 200 × 10 –12響應 1 牛頓的施加力的庫侖電荷。
標準電路圖不包括“充電源”；這兩個選項是電壓源和電流源。幸運的是，我們可以根據(jù)壓電換能器產(chǎn)生的電荷輕松創(chuàng)建電流源。
首先，我們需要記住，電流（以安培為單位）是每秒流過電路給定部分的電荷量（以庫侖為單位）。如果我們將這個陳述翻譯成數(shù)學語言，我們可以說電流是電荷的變化率——即導數(shù)：
I=dQdtI=dQdt
其次，我們必須認識到壓電換能器產(chǎn)生的電荷不是靜止的。如果設備連接到電路，電荷就會移動，從而變成電流。這意味著我們可以使用電流源為壓電器件建模，電流值等于電荷的導數(shù)。
加入電容
壓電材料產(chǎn)生的電荷通過兩個電極引入電路。由此產(chǎn)生的物理配置是這樣的：
如您所見，電極形成一個電容器，這個電容成為設備等效電路的組成部分：
如果我們回憶一下電容電路中電壓和電流之間的關(guān)系，我們可以計算等效電路的輸出電壓，在圖中標記為 V OUT 。電壓等于電流對時間的積分除以電容：
V = 1攝氏度∫ I d t V=1C∫I dt
由于我們等效電路中的電流源等于電荷對時間的導數(shù)，我們有
V O U T = 1 C∫ d Q d t d t = Q CVOUT=1C∫dQdt dt=QC
其中 C 是與電流源并聯(lián)的任何電容的值（我們將在下一篇文章中回到這一點）。我們在上面看到，壓電設備產(chǎn)生的電荷等于施加的力乘以壓電系數(shù)，因此 V OUT與施加的力除以電容成正比。
結(jié)合阻力
壓電換能器的電流源加電容模型適用于“動態(tài)”傳感應用——換句話說，涉及本質(zhì)上瞬態(tài)或連續(xù)變化的物理條件的應用。如果我們希望模型更準確地作為壓電功能的一般表示，我們需要添加一個并聯(lián)電阻：
壓電材料會響應機械應力產(chǎn)生電荷，但這種電荷不會永遠存在。相反，材料本身起到導致電荷逐漸減少的泄漏路徑的作用。我們可以通過在等效電路中添加一個并聯(lián)電阻來解釋這種行為。
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