压电力传感器: 原理很简单 – 应用很广泛

有多种类型力传感器,最通用的是基于应变的力传感器。本文将阐述另外一种测量技术:压电力传感器。 Thomas Kleckers - HBM 产品经理将向您详细描述压电力传感器是如何工作的。引用他的话来说: "原理很简单,应用繁复多样。"

压电晶体

压电式力传感器中心有一个压电晶体,例如石英。压电材料在机械应力作用下会产生电荷。原理很简单:产生的电荷与所施加的机械应力成正比。电荷放大器可将电荷转换成易于测量的0…10 V信号。这样,输出电压与机械应力成正比。

压电力传感器结构

施加在晶体上的机械应力与电荷的变化成正比。换句话说,压力越大,电荷就越大。另外,这种传感器输出信号不取决于传感器的大小,这是一个独特的优势。

从结构上来说,通常,传感器包含两个晶体元件。电极位于这两个晶体之间。这个电极获取晶体内向侧面上的电荷。电极通过电缆连接到电荷放大器上。此外,晶体盘被置于金属外壳中。这不仅保护晶体,并且提供与晶体的第二接触点,因为其需要通过屏蔽电缆连接到电荷放大器。

"在晶体和电极之间以及晶体和外壳之间良好的接触是非常重要的。因此,材料必须具有高质量、精确和均匀的表面。只有表面接触良好,才能实现良好的电荷转移。" Thomas Kleckers

压电力传感器特性

压电力传感器最重要特性之一就是其可覆盖非常大的测量范围。换言之,同样的传感器可以测量非常小的和非常大的力。并且尺寸小巧,有时仅有几毫米厚。另外是高刚性,载荷下的变形是可以忽略不计的。因此,传感器对整体工装结构影响极小。

但另外一个方面,压电传感器更容易产生漂移,因此测量所需的电荷差不能无限期地保持。假定最大漂移量为10 n/min。一旦测量链断开,这个漂移量在工作期间会降低很多。并且,不管测的力大小如何,它总是是相同的。这意味着,如果长时间测量低力值,漂移的影响要比测量大力值或进行短时间测量要大得多。

压电力传感器应用

依据应用不同,压电力传感器可在无需施加或施加预应力下应用。施加预应力的传感器校准后可安装后立即使用。力垫圈在安装后仍然需要施加预应力(通常使用螺钉或负载销完成),因为这在不同材料表面之间产生了接触,从而会使电荷产生转移。这些附加组件会改变测量点的灵敏度,因此在施加预应力后需要进行调整或校准。

"对于现存系统翻新改造来说,结构小巧的压电力传感器在空间尺寸上不存在任何问题,但需要进行校准。" Thomas Kleckers

重要的是,确保传感器在安装环境下能提供正确的测量结果。压电力传感器非常适合循环加载应用。正如 Thomas Kleckers 解释的那样,当两个部件以限定的力连接时,如铆接。在测量后,设备开始复位,传感器返回零点,然后是下一个循环。因为测量时间很短,因此漂移对测量结果没有影响。另外,利用压电力传感器的大测量范围,通过二次测量,能够获得更精确的测量结果。例如对于 500kN 的力,在第一和第二步测量之间进行“重置”,分辨率可达 100N。

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