在力学测量中,压电力传感器 应变力传感器 占据着主导地位,那种原理更合适呢?

1. 技术原理

应变力传感器施加的 力是作用在一个弹性体 上的。负载将会使弹性体产生 微小的变形。安装在弹性体上的应变片将会产生延展,应变片的电阻值将会变化。4个应变片组成一个惠斯通电桥,产生的 输出电压将会正比于施加的力

应变传感器的的工作原理,采用弹性体作为测量体。

压电传感器采用两个 晶体盘,并在两者之间安装一个电极箔。在施加力时,将产生电荷变化,其可通过电荷放大器获得。电荷将和施加的力呈正比

压电传感器的结构。晶体盘 (绿色) 将转换施加的力为电荷,并通过电极来获取。

2. 哪种传感器原理适合您的应用?

静态监控任务

基于应变的传感器 几乎 没有漂移 因此非常适合长期静态监控任务。这称之为蠕变 - 是和时间相关的。但是通过选择合适的应变片,恒定的负载导致的输出信号变化非常小。例如 HBM  S2M 力传感器在满量程状况下的蠕变值只有 200 ppm  - 在很多应用中这种 误差是可以忽略不计的

压电力传感器具有一个 漂移 - 在工作状态下大约为 1 N/分钟。由于其值保持不变,当 长期进行较小力测量 时,其将会产生较大的测量误差

较小和较大力测量产生的漂移。当测量 5000 N 时,长期测试是可以的,但是较小的力漂移影响非常大。因此,测量的周期取决于所需的精度和测量力的大小。
动态力测量

在力加载过程中,压电传感器 只有非常小的变形 - 具有极高的刚度。这导致去具有很高的谐振频率,非常适合用于动态测试。 但是,完整的测量链 对于动态特性是非常关键的。因此,安装传感器的部件需要有更大的质量,并且其对系统的整体质量和截止频率具有一个较大的冲击。另外,电荷放大器 的带宽取决于 电荷,因此,在进行较大的力测量导致的高电荷反过来会限制带宽。

在较大额定力情况下,应变传感器具有更高的截止频率。小量程的力传感器的弹性体更软 - 谐振频率也就更低。但是,进行小量程力进行快速测试时,压电力传感器是第一选择,而对于较大的力是,应该选择应变原理的传感器

标定任务

连接应变传感器的 放大器 可以进行多种误差补偿。包括 温度对灵敏度和零点的补偿 以及 线性和弯矩误差等。 因此,应变传感器非常适合高精度静态标定, 通过弹性体结构可以实现 更高的可重复性。因此,对于力学标定来说,基于应变原理的传感器是唯一选择。

高初始负载

在力施加过程中, 如果需要, 压电传感器 产生的电荷可以短路。电荷放大器输入状态可以显示为 ‘零’。因此,电荷放大器的输入范围可以 不受高初始负载影响。因此,压电传感器可以在高初始负载状态下 维持高精度

在恶劣环境下

一些应变力传感器具有 IP68 保护等级 (S9M, U10M 带电缆)。紧致密封的外壳 保护灵敏的应变片。这让其可以用于恶劣的环境中。

压电传感器的电缆可以采用特殊的防护来保证其连接,来保证其操作安全性。(KAB145-3)

高精度测量

现代力传感器都具有很高的精度,应变传感器的误差仅有 200 ppm。例如 HBM TOP-Transfer 可以达到这个级别。压电传感器具有 稍高的线性误差,一般为满量程的 0.5% 。其限制主要来自于漂移,通过对整个量程的标定,可以使其获得 更高的精度

空间受到限制

压电传感器 结构非常紧凑,例如 CLP 系列 高度仅有 4 mm。因此非常适合 集成到现存系统中。尽管其精度比较低,但是在空间要求较高的应用中,压电传感器应该是首选。

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