【導(dǎo)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(yīng)是連接機械世界和電氣世界的橋梁。
壓電效應(yīng)
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(yīng)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(shè)備是個例外。它們的電行為以一種可預(yù)測的方式對機械應(yīng)力作出反應(yīng)，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(dǎo)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(lǐng)域和電氣領(lǐng)域之間進行轉(zhuǎn)換的設(shè)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(lǐng)導(dǎo)”，而trans 的意思是“跨越、超越、在另一邊”。因此，換能器是引導(dǎo)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(shè)備，即傳感器。
當我們考慮壓電效應(yīng)的性質(zhì)時，壓電設(shè)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(yù)測的方式響應(yīng)由施加的力引起的機械應(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)化為電壓的效應(yīng)，但在我看來更準確的解釋如下：壓電換能器響應(yīng)機械應(yīng)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(xué)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(yīng) 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(xué)語言，我們可以說電流是電荷的變化率——即導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)機械應(yīng)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(dǎo)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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