压电传感器:哪个传感器适合我的应用?

压电力传感器的设计与基于应变的传感器具有明显不同的特性。压电力传感器由单晶片组成,在受到压力时产生电荷。一般来说,使用两个这样的切片,中间插入一个电极。整个结构被封闭在一个外壳中。电荷被电极和外壳吸收,并通过同轴电缆传输到电荷放大器。

 

 

图中显示了压电力传感器的典型结构:

 

1. 外壳
2. 压电晶体
3. 电极

 

 

 

压电传感器依赖于晶体和外壳之间的良好接触。这一方面需要对晶体和与晶体接触的部件表面进行精确加工,另一方面需要使用预应力传感器。实际上,至少10%的预应力用于确保可靠接触——较高的预应力可提高计量性能。当然,预应力不得使预应力元件或传感器过载。

什么决定了压电传感器的输出信号?

对压电晶体施加力,产生电荷Q形式的输出信号,用pC(10-12c)测量。可使用以下公式计算电荷:

Q = qxy*F

其中F是力,qxy是压电常数。后者取决于所使用的晶体类型和所加载的晶体方向。最常用的材料是石英,灵敏度为4.3pc/N,温度限制为200°C。HBM 使用磷酸镓。其灵敏度约为石英的两倍(约为8 pC/N)。其温度限值为850°C,但是,由于热应力的限制,力传感器的温度极限为300°C。

压电和应变力传感器有各自的优点,如何进行选择?

选择压电还是应变力传感器取决于应用,在以下应用中,应首先选择压电传感器:

  • 传感器安装空间有限
  • 初始负荷高的小力测量
  • 测量范围宽
  • 非常高的温度下测量
  • 极端的过载稳定性
  • 高动态

基于应变的传感器在其他方便比压电力传感器具有优势;例如,它们能够测量张力,更经济可靠。此外,它们还提供更好的精度、无需静态校准。在参考校准测量方面,只能使用应变测量技术。

我们建议,在任何情况下,首先要满足测量任务的要求,其次选择最经济有效的方式。当决定使用压电传感器时,依然要根据应用进行选择。

压电传感器的应用领域:

1. 传感器安装空间有限

压电力传感器结构非常紧凑 - 例如 CLP 系列 高度仅 3 到 5 mm (依据量程)。 因此,这种传感器非常适合与现有结构集成。传感器带有一个集成的电缆,因为它们不能容纳插头,因此结构高度非常低。传感器带有所有螺纹尺寸,从M3到M14。结构高度低要求传感器表面上的力尽可能均匀地分布。

2. 初始负荷高的小力测量

当施加力时,压电传感器产生电荷。然而,传感器受到超出实际测量的力,例如在安装期间。所产生的电荷可能短路,将电荷放大器输入端的信号设置为零。这样就可以根据要测量的实际力来调节测量范围。因此,即使初始负载与被测量的力相差很大,也能保证高测量分辨率。CMD600 等高端电荷放大器可以实时连续地调节测量范围,从而支持这些应用。

3. 测量范围宽

压电传感器在多阶段中也具有优势。首先,初始施加较大的力时。相应调整压电测量链。第二阶段涉及力的跟踪,即小力变化测量。受益于压电传感器的特殊功能,包括物理消除电荷放大器输入端的信号。电荷放大器输入可以再次设置为零,并调整测量范围以确保高分辨率。

4. 极高温

一些应用需要在非常高的温度下测量力。在这些应用中,基于应变的力传感器达到了其物理极限。然而,CHW 系列, 压电力垫圈的工作温度可高达300摄氏度。

5. 极高过载稳定性

除了少数例外,所有压电传感器具有相同的灵敏度。这又意味着在给定力下具有20kN量程的力传感器与700kN量程的传感器的输出信号相同。因此,在分辨率和精度方面,使用两个传感器中的哪一个是无关紧要的。测量链可以设置为最大力值,但能够测量非常小的力。

6. 高动态

压电传感器具有非常小的位移并提供相应的高刚度 - 这使它们成为用于动态应用的理想选择。然而,整个测量链对动态特性有影响。还需要考虑附件的刚度。压电测量链通常非常适合于小力值的高度动态测量。 基于应变的力传感器 是大力值动态测量的第一选择

哪种传感器是正确的选择?

如果上述方面之一适用于您的应用,则需要使用压电传感器进行力测量。但是哪个传感器是正确的?以下是典型用途选择指南。

压电测力链校准 - 参考传感器

我们建议在购买测力链校准用参考测力传感器之前,应了解应用要求。一般要求是力传感器需要追溯到国家标准。这意味着,基准力传感器必须在经 DIN EN ISO/IEC 17025认证的实验室中进行校准。这些实验室可追溯至相应的国家计量研究所(德国联邦物理技术研究所),并提供校准证书。

视频中以 CFW力垫圈来来演示如何校准压电测力链。

除了相应地传感器,HBM 还提供 校准服务

压电力传感器选择指南

“压电力垫圈应用广泛。在哪些应用中需要使用这样的传感器?”

大多数用户更喜欢压电力垫圈,因为它们可以与测量对象或设备集成,而不必进行重大的机械更改。然而,这些传感器始终要求安装有预应力,即使用螺钉或预应力装置施加初始荷载,以防止损坏并确保足够的弯矩稳定性。请务必观察其承载能力,以避免传感器或预应力元件(螺钉)过载。此外,由于传感器的安装是测量点灵敏度的决定性因素,因此需要进行校准。这意味着,安装后,需要通过校准来确定测量点的灵敏度,以便能够以牛顿为单位测量力。


“我无法进行校准;但是我想使用压电传感器”

我们推荐: CFT+ 力传感器

CFT+传感器在工厂已进行了三个量程段 (1 %, 10% 和 100 %)的校准,因此安装后可立即使用,无需进行现场校准。

CFT+/25KN 是一种采用磷酸镓晶体的特殊型号。这种传感器的灵敏度是石英的两倍,特别适合测量非常小的力。

 


“我无法校准,并且安装空间受到限制.”

我们推荐: CFT 力传感器

和 CFT+ 一样,CFT 力传感器已经过施加预应力和校准,安装后即可使用。它们通过螺纹连接安装,并具有标准的机械连接接口。

CFT 传感器体积小,使用磷酸镓晶体。它们非常适合在几牛顿范围内的应用,例如微型元件测试。


“我想要一个易于集成的传感器;然而,我的应用程序需要一个插头连接,我需要施加非常大的力”

我们的提示: CFW 系列紧凑型垫圈

CFW 力垫圈具有较高的高度,CFW / 700 KN 具有最大尺寸,内径为36 mm。受到不利的安装条件的影响较小。CFW 力垫圈带有插头连接,非常灵活。可以连接不同的电缆,适用于恶劣环境!


“我需要在非常高的温度下进行测量“

我们推荐:PACEline CHW 系列力垫圈

CHW系列力垫圈设计用于极高温度下使用。 CHW-2型号工作温度高达200摄氏度,CHW-3 工作温度高达300摄氏度。这些力垫圈需要进行校准。它们的低温灵敏度允许在室温下进行校准。


“空间是我应用的一个制约因素,安装高度是决定性的因素."

我们推荐: CLP 微型力垫圈

CLP 系列非常适合此类应用,传感器的结构高度只有3到5毫米,这取决于力垫圈的量程。此外,传感器集成电缆,并适用于所有螺纹尺寸,从M3到M14。结构高度低要求传感器表面上的力尽可能均匀分布。


你需要测量剪切力吗?

我们推荐: CSW 微型力垫圈

CSW力垫圈用于测量平行于垫圈施加的力。这些传感器具有与 CLP 系列相同的紧凑尺寸。需要对微型力垫圈进行校准。.

请注意:使用 CLP 和 CSW 传感器可组件多维力测量系统。典型的应用包括铣削或车削过程中机器监控。


“无法容纳力垫圈,而基于应变的传感器也需要太大的空间。”

正确的选择:CST 压电应变传感器

CST系列的应变传感器非常小,只需一个螺钉安装,能够记录非常小的应变,转换为对应比例地信号。通过标定,CST/300 能够用于测量压力,用于电缆生产设备,压机和铆接设备等。CST应变传感器具有非常高的灵敏度,结实可靠。测量精度依赖于传感器材料。


作者: Thomas Kleckers

HBM 力传感器产品经理

关于力测量的更多文章,请见 力测量技巧和提示

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