在应用中经常遇到的情况是:应用中,力传感器承受 非常高的初始负荷,而这些初始负荷不是测量的对象,实际上要测量的力是 非常小的叠加力

 典型的应用案例:

  • 力垫圈被螺栓预应力加载,但其要测量非常小的力。
  • 力传感器被夹紧, 但其必须检测到非常小的力变化以进行监控。

本文我们将向您描述 压电力传感器 和  基于应变的传感器 的应用优势。

压电测量技术优势

压电力传感器。当力施加时,电荷中心移动。电荷和施加到晶体表面的力成正比。

负载时,压电传感器将产生 电荷。以下图表描述了 工作原理

产生的电荷和力成正比。电荷的测量单位是 pC (10-12 库仑, 其等于3.12 * 10-6 基本电荷)。

传感器由石英材料制成,灵敏度为4.3 pC/N。这意味着当1牛顿力加载时,产生1 pC 电荷。例如最新的  CFT/25kN 传感器采用 镓磷酸盐 作为压电晶体。其灵敏度高达普通晶体的两倍,也就是 同样力加载将产生两倍的电荷 。传感器连接到电荷放大器上,将转换为 0...10 V 信号。.

这种技术的优势是,无论额定力如何变化,传感器的灵敏度保持不变也就是额定力非常大的传感器也可测量非常小的力 另外一个优势是电荷可以物理性地设置为零。当力被加载到传感器上是,通过短路就可以产生 零 pC 电荷(我们称之为预应力)。

在这种情况下,电荷放大器可以设置为更高的灵敏度,以便测量量程和测量的力相对应。和预应力无关,也就是无论传感器是否被预应力加载,传感器的灵敏度和精度都不会受到任何影响。因为可以通过 复位功能,将电荷放大器输入变为零。

压电力传感器处于预应力状况下。预应力加载后,通过复位功能将测量链设置为零,这样电荷放大器就可以在非常小的测量范围内操作。

案例:

力垫圈安装在螺栓下,用于测量施加到螺纹连接上的拉力。首先,加载预应力,预应力也是通过力垫圈进行测量。通过触发开关将测量链设置为零,这样就没有电荷输入。现在电荷放大器就可以设置为任何测量量程,即使很小的力也可以可靠测量。

注意:

  • 采用现代化的数字电荷放大器 CMD600 非常方便,其可以设置为任何测量量程。
  • 在案例中,测量是在分力中完成的。并且在测量之前需要对安装部件进行标定。详情见 '力传感器的安装'.
  • 压电力传感器会一直产生漂移,因此必须使用高通滤波器或周期性地设置零点来完成。如果以上操作无法进行,需要使用基于应变的力传感器。

基于应变的力传感器优势

弹性体
力作用下产生变形,并将导致应变片电阻变化
惠斯通电桥将应变片电阻变化转换为可测量的电压

基于应变的力传感器采用以下原理:

  • 力施加到弹性体上导致 弹性体轻微变形
  • 应变片 黏贴到合适的点,应变片将弹性体 变形转换为电阻变化
  • 通过惠斯通电桥,将电阻的变化转换为可测量的电压变化。

应变传感器的优势是可以采用 多种不同的特性量进行标定,例如零点和灵敏度和零点的温度系数,线性和弯矩的影响。这种技术具有极高的精度。

力传感器产生的电压取决于以下两个因素:

  • "相对零点信号误差" 描述了传感器非负载下的输出信号
  • 负载转换为 可测量的电输出信号

选择基于应变的力传感器的量程必须对应所有的力,也就是 包括预应力和需要测量的力

在以上案例中,张力对应预应力来是非常小的。因此必须采用高分辨率的传感器,以产生所需的测量信号。整个力测量链的误差必须明显小于测量的力的变化。

影响量, 尤其是和满量程相关的测量量,在其中扮演着关键的角色。详细信息,请阅读 '高精度意味着高效率: 为何极高精度力传感器能够带来新应用'. 对于希望获得可靠的测量结果来说,温度对零点的影响,线性误差和低蠕变是非常重要的。另外,和较小的量程传感器测量非常小的力不同,此种应用对 灵敏度温度系数 也有非常高的要求。因为,如果温度改变导致传感器的灵敏度变化,输出信号也会产生相应波动

注意:

  • 径向对称剪切力传感器 非常坚固并且具有极高的精度,特别是在温度经常变化的应用中。这种类型传感器具有 非常小的蠕变 (250 ppm/30 min),最新的 C10 压向力传感器 的零点对温度的依赖性只有75 ppm/10K。 U10M 力传感器具有非常类似的优异特性。
  • 对于非常小的力来说,S 型力传感器 (S2M, S9M) 非常适合使用,其具有极高的精度。
  • 因为基于应变的传感器一般不会产生漂移,如果无法在压电力传感器上使用高通滤波器或进行周期性地零点设置,请使用基于应变的力传感器.

结论

测量非常小的力或非常小的力变化对于传感器的精度具有非常高的要求。

压电原理 传感器由于电荷放大器可以选择量程范围,因此非常适合测量非常小的力变化。

应变原理传感器具有极高的精度,非常低的温度影响和非常小的线性误差,在无法进行周期性零点设置情况下的替代解决方案。

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